详情

原文传递船舶舵/翼舵-鳍/翼鳍智能鲁棒控制研究

论文题名：	船舶舵/翼舵-鳍/翼鳍智能鲁棒控制研究
关键词：	船舶舵;翼舵;翼鳍;智能鲁棒控制;遗传算法;横摇控制
摘要：	采用舵/翼舵、鳍/翼鳍是改善船舶操纵性能行之有效的方法，目前工程中使用的舵和翼舵(鳍和翼鳍)之间依靠导杆或齿轮传动，舵角和翼舵角(鳍角和翼鳍角)之间具有确定的转角比，因此未能有效利用翼舵(翼鳍)的效能。为了充分发挥翼舵(翼鳍)的作用，本文将舵和翼舵(鳍和翼鳍)作为两个相互独立的面进行控制设计，即对于船舶航向/横摇控制而言，系统的输入量为舵角、翼舵角、鳍角和翼鳍角，其实质为矢量控制。由于对应舵(鳍)上产生的一个扶正力矩值，有多种不同的舵角/翼舵角(鳍角/翼鳍角)组合与之对应，本文采用遗传优化的方法设计舵角/翼舵角(鳍角/翼鳍角)智能分配规则，并针对系统存在的干扰和不确定性，应用鲁棒控制理论设计系统控制律。因此，本文的研究内容为船舶航向/横摇—舵/翼舵—鳍/翼鳍智能鲁棒控制，目的在于提高航向、横摇控制精度，降低能耗，增强系统鲁棒性。首先，建立舵/翼舵、鳍/翼鳍水动力特性数学模型。根据舵/翼舵、鳍/翼鳍水动力系数图谱，通过分析图谱曲线的特点，选择合理的回归模型，对图谱进行数据采样，应用最小二乘法对回归模型的参数进行拟合，并对拟合结果进行显著性检验，以确定可用于工程计算的水动力特性数学模型。其次，建立船舶航向/横摇—舵/翼舵—鳍/翼鳍控制系统数学模型。建立了船舶横荡、艏摇、横摇三自由度运动非线性耦合模型，并给出舵/翼舵、鳍/翼鳍对船舶作用力及力矩的计算模型。研究给出了海浪、海风、海流的干扰力(及力矩)的算法。研究了系统驱动能量方程的建模，从分析舵机和翼舵机(鳍伺服系统和翼鳍伺服系统)所需克服的负载力矩入手，建立了舵/翼舵(鳍/翼鳍)驱动能量方程，为控制系统的设计奠定基础。然后，研究了舵角/翼舵角(鳍角/翼鳍角)智能优化分配规则。在建立系统驱动能量方程的基础上，本文提出了“系统驱动能量最小”原则下的舵角/翼舵角(鳍角/翼鳍角)分配规则，并采用基于不可行度法的改进遗传算法(IFD—IGA)对舵角/翼舵角(鳍角/翼鳍角)进行智能优化。接着，设计了船舶航向鲁棒控制系统、船舶横摇鲁棒控制系统和船舶航向/横摇鲁棒控制系统。在分析系统模型不确定性和干扰随机性的基础上，采用基于线性矩阵不等式(LMI)的状态反馈H2/H∞鲁棒控制方法和μ鲁棒控制方法对船舶航向控制、横摇控制、航向/横摇控制进行了设计研究。最后，对所设计的船舶航向控制系统、横摇控制系统、航向/横摇控制系统进行仿真，在多种海情、不同浪向、标称模型和摄动模型下进行仿真。仿真结果表明，与传统的自动舵系统和减摇鳍系统相比，本文设计的舵/翼舵—鳍/翼鳍智能鲁棒控制系统具有更高的控制精度、显著的节能效果和良好的鲁棒性能。尤其在高海情下，舵/翼舵、鳍/翼鳍能够提供更大的扶正力矩，显著提高了系统对航向和横摇的控制能力。
作者：	方亮
专业：	控制理论与控制工程
导师：	刘胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文