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原文传递高速多体船的姿态估计与鲁棒纵向减摇控制

论文题名：	高速多体船的姿态估计与鲁棒纵向减摇控制
关键词：	高速多体船;姿态估计;纵向减摇控制;鲁棒性能
摘要：	高速多体船具有良好的横向稳定性、耐波性、机动性，是船舶领域研究的热点之一。然而，在高速航行时高速多体船细长的侧体使得纵向倾覆力矩较大、恢复力矩较小，造成高速多体船的纵摇和升沉运动在恶劣海况下变化剧烈、幅度过大，容易引起失速、艏部砰击等现象，严重影响适航性。因此，如何有效抑制升沉和纵摇运动幅度成为高速多体船研究的重点。　　为了提高高速多体船的耐波性，通常在船体上安装T型翼和压浪板两类附体，设计合理的减摇控制策略实现协同减摇，其中高速多体船的姿态估计和减摇控制策略是影响系统减摇性能的关键。但是，高速多体船的模型具有耦合性、不确定性、时变性、以及受到强海浪干扰等问题，导致姿态估计和减摇控制存在困难。基于上述情况，本文围绕姿态估计和减摇控制展开研究，论文主要研究内容如下：　　(1)研究T型翼与压浪板两类纵摇附体对高速多体船产生的作用力，建立T型翼与压浪板产生的控制力和控制力矩模型。在此基础上，建立完整的高速多体船的垂向运动模型，分析升沉和纵摇运动的耦合性；同时，对高速航行时受到的海浪干扰进行功率谱分析，采用数据拟合和叠加的方法，获得随机海浪作用于高速多体船的干扰力和干扰力矩。　　(2)针对升沉速度和纵摇角速度不能直接测量问题，以及升沉和纵摇运动受到非高斯随机海浪干扰和噪声影响，提出非高斯噪声下多体船的最大熵卡尔曼滤波估计。以鲁棒的最大熵准则作为最优性能，基于状态和协方差矩阵的先验估计获得多体船的减纵摇控制信号和协方差矩阵，并采用定点迭代算法来更新后验估计，提高多体船的减纵摇控制信号估计精确性。　　(3)针对高速多体船在航行中纵摇和升沉运动幅度过大的问题，提出一种有限时间减纵摇控制方法。将T型翼和压浪板作为减摇附体建立体多体船垂向控制模型，将其转化为解耦的纵摇和升沉的运动模型。设计有限时间扩张观测器在线估计纵摇和升沉运动的时变耦合项，进行实时补偿控制。在此基础上，针对解耦的纵摇和升沉的运动模型，提出有限时间反馈控制律，提高系统的减摇性能和抑制干扰能力，给出闭环系统的稳定性分析。通过数字仿真验证所提算法的有效性，升沉减少20%~35%，纵摇减少40%~50%。　　(4)为了进一步优化提高纵摇性能，提出了一步预测控制减纵摇策略。设计纵摇和升沉两个通道的线性扩张状态观测器，在线估计纵摇和升沉通道的集总不确定项，进行前馈补偿，提高减摇控制的鲁棒性。提出一步预测控制的优化目标，基于高速多体船的标称模型给出一步预测误差，根据最优化的必要条件获得一步预测的解析控制律，给出闭环系统的稳定性分析。通过数字仿真验证所提算法的有效性。
作者：	余鹏
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：	2021