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吊舱推进船舶运动数学模型与航向保持控制
| 论文题名： | 吊舱推进船舶运动数学模型与航向保持控制 |
| 关键词： | 吊舱推进船舶;运动模型;航向保持;控制算法 |
| 摘要： | 随着技术的发展以及船舶性能标准的提高，吊舱推进器(Poddedpropulsion,POD)已广泛应用于多种类型的船舶。本文基于分离式船舶运动数学模型的建模思想，建立了适用于双吊舱推进船舶的船舶运动数学模型。在构建吊舱推进船舶运动数学模型时，首先对吊舱推进器进行单独讨论研究，随后对双吊舱推进船舶进行了整体运动建模，最后对吊舱推进船舶的航向保持控制问题进行了研究。本文的主要工作分为以下几点： (1)建立了双吊舱推进船舶3自由度(Degreeoffreedom,DOF)船舶运动数学模型，在建模时，首先对吊舱推进器进行了研究，主要考虑船舶尾鳍对吊舱推力和阻力产生的影响，并考虑了吊舱与吊舱之间的相互作用影响。结合前人已开展的有关吊舱推进器水动力性能分析的研究，计算在上述情况下，吊舱推进器产生的推力和阻力，以及其各自产生的转艏力矩。随后，以双吊舱推进半潜船“泰安口”号为例，建立其分离式3DOF船舶运动数学模型。基于实船海试中相关操纵试验的数据，并结合其他研究吊舱推进船舶操纵性预报的文献，对所建立的吊舱推进船舶运动数学模型进行模型精确度分析。 (2)设计了适用于吊舱推进船舶的航向保持ZOH(Zero-orderholder,零阶保持)模型控制器。为有效降低控制器操舵频率，使其符合航海实践要求，引入了零阶保持环节。在前期设计航向保持控制器时，将零阶保持环节与船舶模型视为一个整体，即ZOH船舶运动数学模型，随后基于ZOH船舶运动数学模型设计航向保持ZOH模型控制器。 (3)与传统固定式螺旋桨推进船舶的船舵相比，吊舱推进器转动后产生的转艏力矩更大，相比之下更易导致较大幅度横摇。考虑到大多数吊舱推进船舶为半潜船等特种船舶，载货后船舶稳性较差，需避免较大角度转动吊舱引起的大幅度横摇。引入非线性反馈环节处理航向保持ZOH模型控制器输入端的偏差信号，最终使设计的控制算法在保证航向保持控制性能的前提下，尽可能减小控制器的控制输出，即减小吊舱转角。随后，与其他类型航向保持控制器在8级海况下进行了仿真比对实验。 本文所有实验采用MATLAB平台编程实现，所建立的双吊舱推进船舶3自由度船舶运动数学模型具有较好的仿真精度，在8级海况下的仿真实验结果验证了所设计的航向保持控制算法的有效性。该研究对推进吊舱推进船舶运动数学建模和自动控制问题研究与提高船舶海上安全保障方面奠定了理论基础。 |
| 作者： | 闫昭琨 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 张显库 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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