船舶舵-翼舵-鰭-翼鰭智能魯棒控制研究.pdf

1、采用舵/翼舵、鰭/翼鰭是改善船舶操縱性能行之有效的方法，目前工程中使用的舵和翼舵(鰭和翼鰭)之間依靠導桿或齒輪傳動，舵角和翼舵角(鰭角和翼鰭角)之間具有確定的轉(zhuǎn)角比，因此未能有效利用翼舵(翼鰭)的效能。為了充分發(fā)揮翼舵(翼鰭)的作用，本文將舵和翼舵(鰭和翼鰭)作為兩個相互獨立的面進行控制設計，即對于船舶航向/橫搖控制而言，系統(tǒng)的輸入量為舵角、翼舵角、鰭角和翼鰭角，其實質(zhì)為矢量控制。由于對應舵(鰭)上產(chǎn)生的一個扶正力矩值，有多種不同的舵角

2、/翼舵角(鰭角/翼鰭角)組合與之對應，本文采用遺傳優(yōu)化的方法設計舵角/翼舵角(鰭角/翼鰭角)智能分配規(guī)則，并針對系統(tǒng)存在的干擾和不確定性，應用魯棒控制理論設計系統(tǒng)控制律。因此，本文的研究內(nèi)容為船舶航向/橫搖—舵/翼舵—鰭/翼鰭智能魯棒控制，目的在于提高航向、橫搖控制精度，降低能耗，增強系統(tǒng)魯棒性。 首先，建立舵/翼舵、鰭/翼鰭水動力特性數(shù)學模型。根據(jù)舵/翼舵、鰭/翼鰭水動力系數(shù)圖譜，通過分析圖譜曲線的特點，選擇合理的回歸模型，對

3、圖譜進行數(shù)據(jù)采樣，應用最小二乘法對回歸模型的參數(shù)進行擬合，并對擬合結(jié)果進行顯著性檢驗，以確定可用于工程計算的水動力特性數(shù)學模型。 其次，建立船舶航向/橫搖—舵/翼舵—鰭/翼鰭控制系統(tǒng)數(shù)學模型。建立了船舶橫蕩、艏搖、橫搖三自由度運動非線性耦合模型，并給出舵/翼舵、鰭/翼鰭對船舶作用力及力矩的計算模型。研究給出了海浪、海風、海流的干擾力(及力矩)的算法。研究了系統(tǒng)驅(qū)動能量方程的建模，從分析舵機和翼舵機(鰭伺服系統(tǒng)和翼鰭伺服系統(tǒng))所需

4、克服的負載力矩入手，建立了舵/翼舵(鰭/翼鰭)驅(qū)動能量方程，為控制系統(tǒng)的設計奠定基礎。 然后，研究了舵角/翼舵角(鰭角/翼鰭角)智能優(yōu)化分配規(guī)則。在建立系統(tǒng)驅(qū)動能量方程的基礎上，本文提出了“系統(tǒng)驅(qū)動能量最小”原則下的舵角/翼舵角(鰭角/翼鰭角)分配規(guī)則，并采用基于不可行度法的改進遺傳算法(IFD—IGA)對舵角/翼舵角(鰭角/翼鰭角)進行智能優(yōu)化。 接著，設計了船舶航向魯棒控制系統(tǒng)、船舶橫搖魯棒控制系統(tǒng)和船舶航向/橫搖魯

5、棒控制系統(tǒng)。在分析系統(tǒng)模型不確定性和干擾隨機性的基礎上，采 用基于線性矩陣不等式(LMI)的狀態(tài)反饋H2/H∞魯棒控制方法和μ魯棒控制方法對船舶航向控制、橫搖控制、航向/橫搖控制進行了設計研究。 最后，對所設計的船舶航向控制系統(tǒng)、橫搖控制系統(tǒng)、航向/橫搖控制系統(tǒng)進行仿真，在多種海情、不同浪向、標稱模型和攝動模型下進行仿真。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的自動舵系統(tǒng)和減搖鰭系統(tǒng)相比，本文設計的舵/翼舵—鰭/翼鰭智能魯棒控制系統(tǒng)