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原文传递吊舱推进船舶航向航速联合控制

论文题名：	吊舱推进船舶航向航速联合控制
关键词：	POD推进器;航向航速联合控制系统;自抗扰控制;广义预测自抗扰控制;线性扩张状态观测器
摘要：	吊舱式推进装置(PoddedPropulsor，POD)越来越广泛的应用于各种类型的船舶。POD推进器最主要的特点是其在提供推力的同时，也可以改变推力的方向，从而达到操舵的目的。航向的改变势必会影响航速，而航速反过来也会对航向的控制产生影响，所以对POD推进船舶航向航速联合控制的研究具有一定的理论研究和实际应用价值。本论文将在建立POD推进船舶运动数学模型的基础上，重点进行基于自抗扰控制框架的吊舱船舶航向航速联合控制。　　首先，根据分离型(ShipManoeuvringMathematicalModelGroup,MMG)建模思想，分别考虑POD推进器产生的力和力矩、船舶流体动力和力矩、POD螺旋桨与船体以及周围流体之间的相互作用以及海风、海浪的干扰，建立了一个三自由度(纵荡、横荡、艏摇)的吊舱推进船舶运动数学模型。然后对所建立的POD船舶运动数学模型进行回转实验、Z形实验以及航速仿真，以验证模型的准确性，并在此基础上进行控制器的设计与仿真：　　(1)针对吊舱推进船舶运动系统具有强耦合、不确定性等特点，并考虑外界环境扰动对吊舱推进船舶运动的影响，设计了基于线性自抗扰控制算法(LineActiveDisturbanceRejectionControl,LADRC)的POD推进船舶航向航速联合控制器。首先构建了不需要被控对象具体动态信息的线性扩张状态观测器(LinearExtendedstateobserver,LESO)，对吊舱推进船舶航向航速联合控制系统中的内部模型不确定性、未建模动态以及外部环境扰动构成的总扰动进行实时估计，然后根据线性状态误差反馈律设计了线性自抗扰控制律。仿真结果表明：在POD推进船舶航向航速联合控制系统中，此控制方法可以使得POD推进船舶到达期望航向的时间要比单独航向控制迅速，且减小了航向的超调，在一定程度上补偿了航速的下降，整体上提高了吊舱推进船舶的操纵性能。　　(2)针对吊舱推进船舶运动系统内部动态完全未知、参数摄动问题，将广义预测控制(GeneralizedPredictiveControl,GPC)引入到自抗扰控制方法中，设计了广义预测自抗扰控制器。首先利用线性扩张状态观测器估计并补偿吊舱推进船舶航向航速联合控制系统中的内部模型不确定性、未建模动态以及外部环境扰动，利用LESO的动态补偿线性化将原始的非线性对象强制转化为积分器串联形式，然后利用广义预测控制方法针对处理后的系统设计虚拟控制律，控制律中的优化控制目标是随时间推移而变化，使用当前时刻的局部优化目标代替线性自抗扰控制方法中不变的全局优化目标，进而求出广义预测自抗扰控制算法的最优控制律。仿真结果表明：在POD推进船舶航向航速联合控制系统中，此控制方法可以使得航向和航速相较于LADRC更为快速的到达期望目标，提高了系统的快速性，且在高海况下到达期望目标后更加平稳，具有一定的抗扰能力与鲁棒性。　　(3)针对吊舱推进船舶运动系统内部动态完全未知、参数摄动问题，同时考虑在实际的船舶工程中因条件限制不能满足ESO实时估计扰动的带宽问题，设计了双ESO扰动估计模型广义预测控制器。通过ESO估计扰动的原理，构建了双ESO的扰动估计模型，实时估计吊舱推进船舶航向航速联合控制系统中的内部模型不确定性、未建模动态以及外部环境扰动，并利用GPC最优控制律对“总扰动”进行抵偿。通过对一个二阶系统和吊舱推进船舶航向航速联合控制系统的仿真结果表明：基于双ESO的扰动估计模型可以在一定程度上提高扰动估计的精度，并在吊舱推进船舶航向航速联合控制系统中，此控制方法在高海况下可以保证航向与航速渐进跟踪期望目标，在具有一定抗扰能力和鲁棒性的同时具有一定的工程应用价值。
作者：	张华健
专业：	控制工程
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