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船舶操纵性仿真与舵鳍联合控制方法研究
| 论文题名： | 船舶操纵性仿真与舵鳍联合控制方法研究 |
| 关键词： | 船舶操纵性;仿真分析;舵/鳍联合控制器;数学模型 |
| 摘要： | 船舶操纵性是指在控制装置的作用下,船舶保持或改变原来运动状态的能力。操纵性好的船在航行时可以及时的避开障碍物,减少碰撞的发生。由于海洋环境的复杂多变,船舶一旦出现碰撞或倾覆,就会造成人员的伤亡或船上化学品的泄漏,产生严重的社会问题以及生态问题,造成巨大的经济损失。所以人们对船舶操纵性提出更高的要求,对船舶减摇也提出更多的方法策略。为了减小船舶横摇,除了用减摇鳍之外,操舵在影响船舶艏摇的同时也能够产生横摇力矩,将减摇鳍和舵进行综合控制,可以在保证船舶航向的同时提高船舶的减摇效率。所以,这种舵/鳍联合控制的减摇方法也逐渐受到人们的重视。基于课题的研究内容,本论文的主要工作如下: 首先,基于平野数学模型建立了船舶四自由度非线性的运动方程,方程中给出了每个水动力参数的求解方法,并包含了控制装置舵和鳍以及推进器的数学模型。模型中充分考虑了舵机和鳍机的饱和限位,以及有效攻角的问题。翼面转速影响其有效进速和有效攻角,从而影响翼面的水动力。 其次,建立环境干扰模型,包括海浪、海流和海风。利用余弦序列权重系数法来完成规则波干扰力的数学描述,通过将若干规则波的叠加,实现海浪随机干扰的数学模型。分析海流的特点和海风的特性,利用相对与绝对速度的关系完成海流干扰的数学模型。利用Isherwood公式,完成海风作用于船体干扰的数学模型。 然后,从船舶操纵的典型运动——回转和Z形运动入手,分析操舵影响船舶运动的过程,完成相应的仿真。通过仿真结果与水池试验数据的比较,结果表明,二者误差较小,仿真方法可行。之后仿真其它一些船舶操纵运动,包括威廉森回转、频繁操舵等。仿真中考虑了航速、舵角和舵速的影响。结合理论与仿真结果,得出船舶操纵性除了受到船型的影响之外,舵型参数和舵转速也能够影响船舶操纵性的结论,因此在船型参数确定的前提下可以通过优化舵型参数来提高船舶的操纵性能。 最后,由于船舶控制系统中存在各种不确定因素,选用解决该问题较为成功的H∞混合灵敏度鲁棒优化算法,完成舵/鳍联合控制器的实现。通过对船舶运动非线性模型的分析,把它转化为H∞标准问题中的混合灵敏度优化问题,选择合适的加权函数,判断系统的稳定性,最后求解出舵/鳍联合鲁棒控制器。仿真结果表明,在H∞混合灵敏度鲁棒控制器下,船舶在海浪环境中不同的遭遇角下都具有很好的减摇效果和航向保持能力,提高舵速在一定程度上可以提高船舶的减摇效率和航向控制精度。 |
| 作者： | 刘厚文 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 梁利华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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