舵减横摇预测控制及优化方法研究

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作者：

孙涛

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摘要：

由于船舶航行时横摇阻尼很小,在风浪中会产生剧烈的横摇运动,所以在现代船舶运动控制领域中如何更好的减小船舶横摇是一个非常重要的研究课题.舵减横摇作为一种主动式减摇装置,由于其实现成本低,占用空间小等优点,国内外已在该技术上投入了较多的精力进行研究,并已有成功应用于实船的实例.舵减横摇在船舶上得到应用后,能很好控制横摇减摇问题,不但改善了船舶的适航性和安全性,而且保证了船舶设备的正常工作.本文根据船舶在复杂海况下的运动特性,及其本身所受力情况,建立非线性船舶模型,同时详细阐述了海浪的扰动力矩和海浪扰动力的求法,舵机特性的计算模型.本文针对舵减横摇控制系统的设计,相继提出了二种控制方法,并将控制方法应用到非线性船舶中,都取得了良好的效果.首先,在滑模变结构控制系统设计中,针对选取的极点是根据单项指标和经验得到的,从而设计出的滑模面不是最合理的,因此在基于极点配置原则上,提出基于积分性能指标,利用单纯型算法优化设计滑模面函数,使得优化设计后的切换函数更合理,滑模面更加理想.并将它应用到舵减横摇系统仿真中,使得优化后的减摇效果较没优化的有了较大的提高.其次,针对反馈线性化控制中控制精度不足的问题,提出了一种解析模型预测控制.使预测输出的泰勒展开阶次等于相关度与控制阶次之和,提高了计算精度,同时在保证闭环稳定的前提下通过劳斯判据求出控制器参数.与反馈线性化相比较,反馈线性化的控制阶次l为零,其输出的泰勒展开阶次只能进行到ρ阶,这就限制了控制精度,而解析模型预测控制阶次可以取到很大,输出的泰勒展开阶次进行到ρ+l阶,提高了计算精度.与反馈线性化相比较,所采用的是离线优化设计,大大减轻了计算负担.将其应用到非线性船舶模型减摇中,减摇效果良好,验证了该方法的有效性.

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关键词：

舵减横摇 控制系统 非线性船舶 滑模变结构 解析模型预测

学位级别：

硕士

学位年度：

2014

DOI：

10.7666/d.D595906