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多干扰强耦合作用下的舵鳍联合减摇系统研究
| 论文题名： | 多干扰强耦合作用下的舵鳍联合减摇系统研究 |
| 关键词： | 船舶航行;舵鳍联合减摇系统;干扰模型预测控制;滑模观测器;参数调整;强化学习 |
| 摘要： | 航行时遇风浪产生剧烈的横摇和偏航运动，会影响舰船的稳定性、操纵性和安全性。而舵鳍联合减摇可以克服单一减摇装置的缺点，在保证航向精度的同时提高舰船减横摇效果。因此，本文针对海浪干扰作用下的舵鳍联合减摇系统展开研究，旨在解决目前存在的模型失配、机构约束、时变干扰、状态耦合和参数整定等问题，提高系统的抗扰动性能和输出跟踪性能。 基于分离型建模方法搭建船舶非线性数学模型，并结合牛顿动力学和流体力学分别对船体、减摇鳍、舵和螺旋桨等进行受力分析及建模。根据海浪复杂多变的特性，建立包含有义波高、遭遇角和角频率的海浪模型。为提高模型的简洁性，采用泰勒展开式将非线性模型化简为包含横荡、横摇和偏航的三自由度状态空间模型。并进行了不同浪级下的船舶操纵性仿真。 在模型的基础上为解决模型失配、系统时变扰动和频繁操舵操鳍问题，提出一种基于滑模观测器的干扰模型预测控制方法：将模型失配和海浪扰动视为输入端的时变扰动，设计滑模观测器实时观测时变扰动和系统输出，并证明了观测器的稳定性；根据增量式模型和观测信息设计扰动模型预测控制器，将船舶运动控制问题转化为求解二次规划最优解问题。同时为避免频繁操纵，增加了舵鳍角及角速度等约束，并讨论了扰动补偿后的控制律约束饱和；最后为避免高频噪声造成的机构磨损，采用滤波器保护了舵鳍控制律。 除此之外，深入研究状态耦合、输出延迟和控制器参数不适应等问题，提出一种基于自抗干扰和强化学习调整参数的舵鳍联合减摇系统：针对状态耦合问题采用自抗扰总扰动的思想解耦了模型，并分别设计横荡自抗扰控制器和横摇-偏航预测观测器；将预测输出代替实际输出反馈控制器解决输出延迟问题，引入强化学习中深度确定性策略梯度算法实时修改预测观测器的参数，保证预测输出的准确性；为同时满足两个控制器的需求，设计了一种由输出期望误差和比例因子组成的目标函数，可通过调节相应输出比例因子的大小来应对多种海况的输出跟踪，进而合理的分配舵角和鳍角控制律。 |
| 作者： | 张文玉 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 孙明晓 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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