船舶舵-翼舵-鰭-翼鰭智能魯棒控制研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

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(dǎo)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(jìn)行控制設(shè)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(yīng)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(yīng),本文采用遺傳優(yōu)化的方法設(shè)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(yīng)用魯棒控制理論設(shè)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(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。 首先,建立舵/翼舵、鰭/翼鰭水動力特性數(shù)學(xué)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(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,應(yīng)用最小二乘法對回歸模型的參數(shù)進(jìn)行擬合,并對擬合結(jié)果進(jìn)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(xué)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(xué)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(fēng)、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(jī)和翼舵機(jī)(鰭伺服系統(tǒng)和翼鰭伺服系統(tǒng))所需

4、克服的負(fù)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(shè)計奠定基礎(chǔ)。 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(chǔ)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(jìn)遺傳算法(IFD—IGA)對舵角/翼舵角(鰭角/翼鰭角)進(jìn)行智能優(yōu)化。 接著,設(shè)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(jī)性的基礎(chǔ)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(jìn)行了設(shè)計研究。 最后,對所設(shè)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(jìn)行仿真,在多種海情、不同浪向、標(biāo)稱模型和攝動模型下進(jìn)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(shè)計的舵/翼舵—鰭/翼鰭智能魯棒控制系統(tǒng)

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