详情

原文传递基于快速预测控制的高速多体船垂向运动控制研究

论文题名：	基于快速预测控制的高速多体船垂向运动控制研究
关键词：	高速多体船;T型翼;压浪板;预测控制;垂向运动稳定性
摘要：	高速多体船的垂向运动控制是船舶领域的研究难点之一。在高海况航行时，风、浪、流等扰动对高速多体船的水下船体产生较大的纵向倾覆力矩，而主船体和片体的细长体结构使得纵向恢复力矩较小，造成升沉、纵摇运动幅度变化剧烈，容易引起失速、艏部砰击、乘员晕船等现象，严重影响适航性。因此，需要采取合理有效的措施实现垂向稳定控制，以减少升沉、纵摇运动幅度，也称减纵摇控制。目前，在船体上安装T型翼和压浪板两种主动式附体可实现协同减摇。T型翼安装于船艏底部，增加船体的附加质量和阻尼；压浪板安装于船尾，可改善船体姿态实现减阻。　　安装主动式附体的高速多体船需要完成闭环减纵摇控制，但是多体船的模型具有多输入输出、升沉运动和纵摇运动强耦合、水动力学参数具有不确定性等特性，给减摇控制带来困难。基于反馈校正、滚动优化、反馈校正策略的预测控制，不需要设计多体船的精确解耦模型，在处理模型不确定、外部干扰等问题具有独特优势，适用于减纵摇控制。然而，预测控制采用序列二次规划算法在线计算控制量，计算负荷大，难以满足控制系统实时性要求。因此，本文围绕快速预测控制减摇的算法设计、仿真、试验展开研究，主要内容如下：　　(1)建立多体船的船体坐标系，采用Cummins方程描述不规则波作用下高速多体船的垂向运动；对T型翼和压浪板进行受力分析，建立高速多体船的垂向运动模型；基于Froude缩放定律等比例缩小船体模型，根据CFD理论求解水动力参数；考虑高速多体船垂向运动的主要因素海浪干扰，采用P-M谱模拟海浪波幅，通过切片原理获得海浪对船体的干扰力和力矩。　　(2)考虑随机海浪干扰，以及多体船水动力参数不确定性的影响，提出一种固定时间观测器在线估计海浪及模型参数不确定性，并将其作为集总干扰并引入预测模型，提高预测控制减摇的鲁棒性。为了提高预测控制减摇性能，基于线性二次最优理论构造有限时域优化的终端代价项，将无限时域的预测目标函数转化为有限时域目标函数，设计准无限时域预测控制律，通过Lyapunov证明闭环稳定性。仿真结果表明，准无限时域预测控制与有限时间预测控制相比，减摇性能提高，升沉减少50%，纵摇减少70%。　　(3)为了减少预测控制在线计算量，提出快速的解析预测控制减摇。针对有色海浪噪声，基于成形滤波器对多体船垂向运动模型进行扩展，采用卡尔曼滤波在线估计多体船的升沉、升沉速度、纵摇、纵摇角速度。在此基础上，提出了连续时间的解析预测控制，构建有限时域连续的优化目标函数，基于带有误差反馈校正的一阶欧拉模型预测升沉和纵摇运动状态，提高预测模型精度。为了减少预测控制在线计算量，在考虑终端等式约束基础上，采用数值积分方法和二次规划理论获得多体船减摇的解析预测控制律，提高了实时性。通过数字仿真与其他快速预测控制对比，验证所提算法的有效性。　　(4)与传统模型预测控制的凸优化相比，模型预测静态规划不存在数值优化的过程，在实时性方面有着显著优势，提出基于模型预测静态规划技术的快速预测控制减摇。首先，受到高速多体船垂向运动模型的非线性、参数时变及有色海浪干扰等影响，传统的卡尔曼滤波精度受限；为了提高卡尔曼滤波的鲁棒性，提出平滑变结构滤波器估计升沉、升沉速度、纵摇、纵摇角速度。其次，考虑终端约束限制下的有限时域开环最优控制问题，基于模型预测静态规划技术设计控制器，将动态优化问题简化为低维静态优化问题；通过迭代更新预测输出序列，降低计算复杂度，并保证减摇控制性能。最后，通过仿真验证所提算法的有效性。
作者：	温昊
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