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基于闭环成形滤波的船舶减摇鳍非线性控制
| 论文题名： | 基于闭环成形滤波的船舶减摇鳍非线性控制 |
| 关键词： | 船舶减摇鳍;L2增益鲁棒控制器;闭环成形滤波;横摇幅度 |
| 摘要： | 船舶在未知而又复杂的海洋中航行，由于受到海浪和海风等外界干扰的影响会产生各种摇荡，其中以横摇运动对船舶安全的影响最大。本文针对船舶横摇运动存在不确定参数摄动和海浪外界干扰等问题，提出了一种基于闭环成形滤波的船舶减摇鳍L2增益鲁棒控制器设计方案，从而更好地降低船舶横摇幅度，保障船舶航行安全。 首先，本文对船舶减摇鳍系统的非线性数学模型进行分析，之后利用基于时域控制理论的L2增益鲁棒控制理论进行船舶减摇鳍控制器的设计，并在此过程中引入基于频域控制理论的闭环成形滤波的概念定义滤波误差信号，实现对系统模型的不确定性参数的有效补偿控制，实现了频域控制器设计和时域控制器设计相结合。而且整个控制器的设计过程中所使用的Lyapunov稳定性理论可保证所设计控制器的稳定性。 然后，本文以“育鲲”轮为数字仿真对象，分析了“育鲲”轮的横摇非线性特性。利用改进的JONSWAP波浪频谱和海浪方向函数进行了多向不规则波波面仿真，并设计在规则波与多向不规则波条件下进行仿真对比实验，以此来验证本文所提出的控制算法的性能，同时利用半航速仿真实验验证了所设计控制器的稳定性和鲁棒性。然后，本文以“育鲲”轮为数字仿真对象，分析了“育鲲”轮的横摇非线性特性。利用JONSWAP波浪频谱和海浪方向函数进行了多向不规则波波面仿真，并设计在规则波与多向不规则波条件下进行仿真对比实验，以此来验证本文所提出的控制算法的性能，同时利用半航速仿真实验验证了所设计控制器的稳定性和鲁棒性。 最后，本文利用小型智能船进行物理仿真实验对本文所提出的控制器设计方法进行验证。首先进行静水中的自由横摇实验，并采用最小二乘法对小型智能船横摇运动非线性方程中阻尼项和恢复力矩项系数进行辨识。之后利用小型智能船横摇运动方程参数辨识的结果进行小型智能船减摇鳍控制器的设计与控制器参数的选择。然后通过小型智能船自航试验进一步证明了本文所设计减摇控制器的有效性和可行性。 仿真和实验结果表明，本文所设计的减摇鳍控制器具有结构简捷、参数物理意义明确、易于实现、鲁棒性强和控制性能良好等优点，可在充分考虑系统鲁棒性和控制性能的条件下简化船舶减摇鳍控制器设计方案和控制器结构，从而更好的应用于船舶工程实践。 |
| 作者： | 李翔 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 关巍 |
| 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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