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原文传递考虑附体输入约束的高速多体船减纵摇控制研究

论文题名：	考虑附体输入约束的高速多体船减纵摇控制研究
关键词：	高速多体船;减纵摇控制;附体输入约束;稳定性
摘要：	高速多体船是目前新型船舶的研究热点之一。与单体船相比，高速多体船的排水体与主体使用流线型支柱连接而成，拥有细长的船体结构和宽阔的甲板面积。高速多体船这种特殊的结构使其在海上航行时产生的横摇较小，具有非常好的横向稳定性。然而，在高海况时，高速多体船在恶劣的浪、流等扰动作用下，会产生幅度过大的升沉和纵摇运动，造成垂向稳定性变差、航行速度变慢和船员的晕船率变高，制约了其应用和发展。因此，如何有效减少升沉和纵摇运动幅度成为了高速多体船研究的关键。　　为了减小高速多体船的垂向运动幅度，通常在船艏加装主动式T型翼、船艉加装压浪板实现协同控制。T型翼和压浪板这两类减摇附体具有严格的幅值约束，在浪、流扰动作用下容易饱和，若长时间工作于饱和状态，则控制性能变差，甚至发生动态失速情况，导致高速多体船倾覆，因而在减摇控制中必须考虑附体输入约束。由于预测控制是解决约束的有效方法之一，本文围绕如何解决减摇附体的输入约束，结合高速多体船模型的强耦合、水动力参数的不确定性以及随机海浪干扰等问题，研究考虑减摇附体输入约束的预测控制减摇，主要内容如下：　　(1)建立描述高速多体船运动的惯性坐标系和船体坐标系，采用P-M谱模拟随机海浪，获得海浪的干扰力和力矩；对T型翼和压浪板进行受力分析，计算其为船体提供的升力，建立高速多体船升沉和纵摇耦合的垂向运动模型，并在康明斯方程中加入卷积积分项提高模型的准确性；采用Froude缩放定律等比例缩小船体模型，利用CFD(计算流体动力学)理论求解水动力参数。　　(2)针对高速多体船的升沉和纵摇输出量受到海浪有色噪声污染的情况，提出有色噪声白噪化方法和卡尔曼滤波相结合，在线估计升沉速度和纵摇角速度。在此基础上，考虑减摇附体的输入约束，基于滚动优化策略建立了高速多体船减摇的预测控制框架。由于高速多体船的实际状态和预测状态存在误差，提出一种基于误差反馈校正的预测控制方法，提高预测模型的精度，改善控制的鲁棒性。通过仿真和实验验证所提算法的有效性。　　(3)针对海浪干扰力和力矩功率谱未知的情况，提出一种基于预测时域内状态收缩约束的模型预测控制减摇。基于高速多体船的标称模型进行预测，在预测终端状态引入收缩约束，保证在有界扰动下的高速多体船减摇性能，理论上分析了闭环系统的一致有界稳定。在此基础上，比较quadprog、fmincon、CVX凸优化工具箱在解决预测控制优化问题时的特点和适用范围。通过仿真实例，验证了收缩约束预测控制减摇的有效性。　　(4)针对随机海浪干扰造成减摇控制器的控制变量频繁波动，不利于减摇附体长期使用的情况，提出LASSO预测控制。在预测控制的目标函数中引入LASSO范数，通过L1正则化产生稀疏权值矩阵，增加了附体输入最大值的惩罚，减少控制量的频繁波动。将减摇附体约束作为预测控制的约束条件，给出了LASSO预测控制算法的结构，基于Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的一致有界稳定。仿真结果表明，所提控制算法有效减少附体攻角的频繁波动。
作者：	胡浩俊
专业：	控制科学与工程
导师：	张军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022