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船舶舵/鳍联合减摇的鲁棒控制系统设计
| 论文题名： | 船舶舵/鳍联合减摇的鲁棒控制系统设计 |
| 关键词： | 舵鳍联合减摇;H∞混合灵敏度;鲁棒控制;船舶运动 |
| 摘要： | 船舶运动的动态特性除了与海洋状况密切相关外,还受风、浪、流等各种干扰,而且由于船型和载重的不同,船舶所受到的水动力负载和干扰情况非常复杂。这使得船舶控制系统中存在着很多不确定性,船舶运动是极其复杂的运动,给船舶的运动控制带来了很大的难度。 而在中大型船舶的控制中,艏摇和横摇是主要的控制对象,本文以某船型为例,采用对不确定性及其干扰抑制针对性强的鲁棒控制理论,设计了舵鳍联合减摇系统,并通过设计模糊参数自整定PID进行了航向控制。在进行控制系统设计之前,先对该船型进行了数学模型的建立,并在建模中全面考虑了海浪对船体的干扰,以及船舶舵机、鳍机的非线性限制,为设计出性能良好的控制器奠定了基础。 对于横摇的控制,国内外的对舵/鳍联合减摇的研究,都还是处于理论分析阶段,而且基本上都忽视了减摇鳍控制回路与舵减摇控制回路、横摇与艏摇之间的耦合作用等。大多也没有考虑如何合理的进行系统的综合设计,以达到最优的减摇效果和系统性能等等。另外,大多数研究都是基于船舶运动的线性模型,对于系统可能存在的各种模型不确定性,包括航速变化引起的不确定性、海浪干扰引起的不确定性、各种未建模动态不确定性等,也没有深入的分析。 本文将针对上述问题,首先从控制算法上加以改进,应用H∞混合灵敏度算法进行设计,设计过程中将会分析可能存在的各种耦合作用,给出一套详尽的设计方案,使系统的性能最优并达到良好的减摇效果。而且本文还采用双重控制设计的方法设计了舵鳍联合减摇控制器,该方法通过对舵和鳍两个回路都进行零相移设计,使两个通道在主导频率上具有相同的零相位,因而这两个通道的特性可以相加,增强了系统的减摇效果,并对两种控制器的减摇效果进行仿真对比,给出分析结果。 对于艏摇的控制,艏摇特性在低频段随频率的增大而迅速减小,带宽非常小,而横摇特性则处在中频段,其带宽频率处在船舶的自然频率附近处,带宽相对较大,两特性有一定的频带分离。因此只要减摇系统的带宽与航向控制的带宽错开,即使这两个系统在频域上解耦,那么两个控制回路就可以分别单独进行设计。传统的航行控制系统一般采用PID进行控制,但控制器的动态性能差,而模糊控制动态性能好,适应性强,但稳态精度不高。基于此,本文采用了模糊参数自整定PID的方法设计了航向控制器,改善了传统PID动态性能差、适应性弱的特点。通过仿真对比分析,验证了该控制器能够快速的跟随航向信号,具有良好的航向跟踪及航向保持性能。 |
| 作者： | 李栋良 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 刘彦文 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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