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原文传递高速多体船的鲁棒纵向减摇控制

论文题名：	高速多体船的鲁棒纵向减摇控制
关键词：	高速多体船;减摇控制;T型翼;压浪板
摘要：	高速多体船采用流线型支柱对排水体和主体部分进行连接，不仅具有甲板面积宽敞的优点，并且具有航行阻力小、耐波性好、机动性、运载能力强、横向稳定性好等优势，因而成为各国船舶制造行业广泛关注的研究对象。但是，高速多体船的垂向稳定性较差，在海上高速航行时易受到随机风、浪、流的干扰，导致升沉和纵摇运动幅度过大，严重影响多体船的适航性。因此，设计有效的高速多体船减纵摇控制具有重要理论价值和实际意义。　　高速多体船减摇通过安装T型翼和压浪板两种减摇附体来减少升沉和纵摇运动幅度，但是多体船的升沉和纵摇运动模型存在强耦合、模型参数存在不确定性，并且减摇附体T型翼和压浪板有严格的输入约束，目前单一的减摇控制方法效果欠佳。本论文从高速多体船减摇的强耦合、不确定性、输入约束三方面问题展开研究，其主要内容如下：　　(1)建立多体船的船体坐标系，基于刚体动量定理和动量矩定理建立垂向运动模型；研究T型翼与压浪板对多体船产生的作用力，对高速航行时受到的海浪扰动进行建模，得到作用于多体船的随机海浪干扰；采用CFD方法更快、更准确求解水动力参数。　　(2)针对高速多体船的升沉和纵摇运动存在强耦合、参数不确定性的问题，提出一种解耦的鲁棒纵向减摇控制方法。建立由T型翼和压浪板作为减摇附体的多体船模型，通过数学变换将其转化为解耦的纵摇和升沉的控制模型，以及时变耦合项。采用比例-微分方法和等效最小噪声带宽设计了解耦的纵摇和升沉控制器，简化了控制复杂度。在此基础上，将时变耦合项作为系统不确定性，设计扩张观测器进行在线估计和补偿。最后，将综合的总控制量通过减摇附体控制分配矩阵得到T型翼和压浪板的攻角，基于李亚普诺夫稳定性理论证明闭环系统的稳定性。通过仿真和试验验证所提算法的有效性，升沉减少20%-35%，纵摇减少40%-50%。　　(3)针对高速多体船纵摇和升沉运动存在强耦合，以及减摇附体T型翼和压浪板有严格的输入约束问题，提出一种基于有限时间观测器的预测控制减摇方法。设计有限时间扩张观测器在线快速估计纵摇和升沉的时变耦合项，以及纵摇和升沉状态量，给出了有限时间观测器收敛的理论证明。针对解耦的时变纵摇和升沉的运动模型，提出单步预测控制获得自适应控制量，提高系统的减摇性能，保证减摇附体满足约束。　　(4)为进一步提高预测控制减摇的实时性，提出一种随机显式预测控制减摇方法。建立高速多体船的随机运动模型，通过卡尔曼滤波的预测估计将多体船的纵摇/升沉状态的随机预测模型转化为状态均值的预测模型。为了减少预测控制在线优化计算量提高实时性，提出了离线设计与在线查询的相结合的显式预测控制，并基于Lyapunov理论分析闭环系统的输入状态稳定。通过仿真验证所提方法的有效性，研究结果表明纵摇减少50%，升沉减少35%，明显改善了多体船的纵向运动性能。
作者：	戴小康
专业：	控制工程
导师：	张军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文