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原文传递船舶鳍舵联合减摇控制的仿真研究

论文题名：	船舶鳍舵联合减摇控制的仿真研究
关键词：	船舶鳍舵联合控制系统;LQR法;干扰补偿器;减横摇效率
摘要：	恶劣海况会严重影响船舶的操纵性,作用在船舶上的力及力矩会引发其各个自由度上的摇荡运动,其中对船舶操纵性造成影响的运动以横摇和艏摇为主,剧烈横摇会造成设备和运载货物的损坏,甚至会引发倾覆事故;艏摇会导致船舶的航向出现偏差,容易发生触礁、碰撞等事故,造成巨额财产损失和大量人员伤亡,所以减小船舶的横摇并保证其航向的稳定能够有效提高船舶航行过程中的稳定性和安全性.本文基于改进的LQR控制算法设计了鳍舵联合减摇控制系统,旨在海浪干扰下利用减摇鳍和自动舵的联合控制提高船舶减横摇效率和航向稳定性. 　　船舶上通常配备自动舵来控制航向和减摇鳍以减小横摇,舵叶和减摇鳍的偏转都会产生横摇力矩,如果将自动舵和减摇鳍的减横摇作用耦合,就可以有效提升船舶的减横摇效率,所以展开了鳍舵联合控制系统的研究,可以较大地提高自动舵和减摇鳍的减横摇性能.在海浪干扰下,利用减摇鳍和自动舵进行联合控制,既能提高船舶的减横摇效率,同时也能保证其航向的稳定,极大改善了船舶在海上航行的安全性和稳定性,提高了船舶的适航性以及乘员的舒适性.本文对国内外学者在鳍舵联合控制方面的研究进展及控制方法进行了整理和分析,在已有研究基础上提出了改进的 LQR 控制方法实现船舶鳍舵联合控制,并基于MATLAB/Simulink 软件实现控制系统的仿真,对其减横摇和航向保持能力进行验证,本文主要研究内容及成果如下: 　　(1) 首先,基于MMG分离模型分析船舶的运动,建立了船舶四自由度非线性数学模型,运动方程中给出了作用在船舶上的力及力矩投影的计算公式;为了简化控制器的设计,在工作状态平衡点处将船舶非线性数学模型线性化;搭建了执行机构(舵/鳍)的数学模型,并充分考虑了舵/鳍的动力学特性. 　　(2) 其次,分析了海浪干扰对船舶操纵性的影响;通过规则波的叠加来描述随机海浪;采用1966年第11届International Towing Tank Conference 推荐的波谱,简称为ITTC单参数波谱,并将其转换为波倾角频谱对随机海浪干扰进行描述;通过海浪成形滤波理论搭建海浪干扰数学模型. 　　(3) 在传统LQR理论的基础上进行改进,利用改进LQR控制算法设计鳍舵联合控制器:采用闭环状态观测器用于估计系统的状态量;基于传统的LQR控制算法得到的控制规律通过矩阵的线性变换提出了速率无静差控制规律,既可以保证控制规律的最优性,也能实现被控参数的无静差性,消除稳态误差,改善控制效果;并设计了干扰补偿器来减小海浪干扰对船舶横摇角和艏向角的影响. 　　(4) 最后,基于MATLAB/Simulink软件实现控制系统的仿真,通过仿真实验验证改进LQR控制算法的可行性和控制器的性能.在不同海况下,验证了速率无静差控制规律,既保留了速率控制规律的最优性,又能消除被控参数的稳态误差;干扰补偿器能够有效减小海浪干扰对船舶横摇角和艏向角的影响;最后验证了基于改进LQR控制算法设计的鳍舵联合控制器的减横摇效率能达到80%,且能保持船舶航向的稳定.
作者：	赵禹涵
专业：	电路与系统
导师：	王红波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023