艦船動(dòng)力學(xué)分析與姿態(tài)穩(wěn)定控制研究.pdf

1、本文研究了艦船姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分析了控制性能的局限性，分析了艦船動(dòng)力學(xué)特性、執(zhí)行系統(tǒng)的約束限制及控制策略對(duì)于姿態(tài)穩(wěn)定控制性能的影響，論證了設(shè)計(jì)中權(quán)衡與折衷考慮控制性能指標(biāo)的必要性，形成了解決姿態(tài)穩(wěn)定控制問題的系統(tǒng)化方法。本文研究的目的是為了使艦船能夠適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭的需要，為艦載武器系統(tǒng)提供一個(gè)高精度的穩(wěn)定平臺(tái)，充分發(fā)揮高新技術(shù)武器的效能。 本文分析了艦船在海浪激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，建立了海浪與艦船運(yùn)動(dòng)相互作用的模型，

2、應(yīng)用橫搖響應(yīng)算子RO(ResponseOperator)方法，實(shí)現(xiàn)了艦船在波浪中橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的預(yù)測(cè)。考慮到艦船在海浪中航行時(shí)受到的風(fēng)、浪和潮流的作用十分復(fù)雜，而且它們對(duì)于艦船的作用也是十分復(fù)雜的，涉及到海洋環(huán)境的數(shù)學(xué)描述與建模，還涉及到船體和水翼的水動(dòng)力特性與水動(dòng)力所產(chǎn)生的艦船振蕩運(yùn)動(dòng)，因此本文進(jìn)行了必要的理論假設(shè)與簡化，目的是為了建立一個(gè)適用的和比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型*。建立模型的目的，一是為了實(shí)現(xiàn)艦船4-DOF(4DegreesofFr

3、eedom)運(yùn)動(dòng)仿真；二是為了提供一個(gè)用于艦船姿態(tài)穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)的標(biāo)稱模型和檢驗(yàn)評(píng)估控制器的適用性的仿真平臺(tái)。 在建立艦船動(dòng)力學(xué)模型和海洋環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，分析了影響艦船姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)的各種因素，特別是艦船姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)中存在的非最小相位特性NMP(Non-MinimumPhase)的影響。本文分析了艦船姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的主要性能局限性，對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行了量化分析，指出了艦船動(dòng)力學(xué)特性和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是決定性能局限性

4、和設(shè)計(jì)中必須權(quán)衡與折衷的主要原因。本文研究了控制作用的幅值約束和速率約束對(duì)于控制性能的影響，通過數(shù)值仿真分析了在不同航行條件下控制作用的約束所引起的性能指標(biāo)的下降，得出的研究結(jié)果可用于評(píng)估減搖裝置的可用度。 本文提出了輸入作用存在約束限制條件下的控制性能指標(biāo)分析方法，揭示了傳統(tǒng)控制方法存在的局限性，分析了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制策略對(duì)性能指標(biāo)的影響，研究了約束條件下的優(yōu)化控制算法。本文研究了有限時(shí)域空間的優(yōu)化控制和次優(yōu)化控制問題，分

5、析了約束條件、海浪隨機(jī)干擾作用和系統(tǒng)狀態(tài)信息不全對(duì)控制性能的影響。針對(duì)艦船姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)所存在的性能局限性、輸入約束和海浪隨機(jī)干擾作用，本文提出了基于MPC的偽自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用整形濾波器近似描述海浪產(chǎn)生的輸出干擾作用，采用動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波器迭代算法進(jìn)行海浪干擾模型參數(shù)的最小方差估計(jì)(EstimationbyLeastSquareMethod)，采用等效確定性模型預(yù)測(cè)控制CE-MPC(CertaintyEquivalentMod