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吊舱推进船舶横摇航向联合控制研究
| 论文题名： | 吊舱推进船舶横摇航向联合控制研究 |
| 关键词： | 吊舱推进船舶;横摇航向;联合控制;奇异摄动理论;RBF神经网络 |
| 摘要： | 吊舱推进器(PoddedPropulsors,POD)凭借其灵活的操纵性在如今大力发展船舶电力推进系统的背景下应用广泛，而船舶航行时因风浪干扰产生的剧烈横摇和偏航现象严重危害着航行安全性和舒适性，同时，船舶横摇和艏摇自由度之间存在耦合现象。基于上述原因，本文重点对吊舱推进船舶横摇航向运动进行联合控制研究，论文主要工作如下： （1）针对吊舱推进器矢量推进的特点建立了吊舱推进船舶4自由度非线性数学模型。基于分离型建模的思想，首先分析了POD控制力和力矩的计算方法。然后建立了考虑风浪干扰在内的非线性、多变量耦合的船舶数学模型。最后对某吊舱推进船舶进行旋回和Z形试验仿真，验证了所建立模型的准确性，为后续控制器的设计奠定了基础。 （2）针对单独使用吊舱推进器进行船舶横摇航向联合控制问题进行研究。首先对吊舱推进船舶非线性数学模型线性化，采用可以省去调整滑模面参数过程的线性矩阵不等式(LinearMatrixInequality,LMI)滑模方法，设计了LMI滑模横摇航向联合控制器。然后针对单独吊舱控制下的横摇航向耦合问题，使用奇异摄动时间尺度(SingularPerturbationsandTime-Scales,SPaTS)的方法对整个系统进行解耦，设计了基于解耦的LMI滑模吊舱推进船舶横摇航向联合控制器。最后将上述设计的线性控制器应用在非线性船舶模型上，在不同海况下进行仿真，仿真结果表明，在考虑耦合的影响后，减摇率最高提升了13%，可达到63%，航向控制效果提升了1倍。 （3）针对装备减摇鳍的吊舱推进船舶横摇航向联合控制问题进行研究。首先得到包含减摇鳍在内的船舶非线性数学模型，针对线性滑模面系统误差无限时间收敛的问题，采用非奇异快速终端滑模(Non-singularFastTerminalSlidingMode,NFTSM)方法，并考虑干扰上界未知引入自适应律，设计了自适应NFTSM吊舱推进器与减摇鳍横摇航向联合控制器。然后针对工程应用中，控制器设计时无法获得精确船舶数学模型的情况，利用径向基函数(RadialBasisFunction,RBF)神经网络在处理拟合问题上的优势，对船舶数学模型中的非线性函数进行逼近，设计了RBF神经网络自适应NFTSM横摇航向联合控制器。最后将上述设计的控制器在不同的海况下仿真，结果表明，相比于单独POD控制下设计的横摇航向联合控制器，本部分设计的吊舱推进器与减摇鳍联合控制器减摇率最高可达90%，航向控制效果在稳定后维持在±1.5°，并且由于引入自适应律和RBF神经网络，控制器的鲁棒性更强，自适应性更好，更适合在实际中的应用。 |
| 作者： | 高宇辉 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 李晖 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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