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(dǎo)桿或齒輪傳動(dòng)，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(gè)相互獨(dú)立的面進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，即對(duì)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(shí)質(zhì)為矢量控制。由于對(duì)應(yīng)舵(鰭)上產(chǎn)生的一個(gè)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(duì)應(yīng)，本文采用遺傳優(yōu)化的方法設(shè)計(jì)舵角/翼舵角(鰭角/翼鰭角)智能分配規(guī)則，并針對(duì)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(jì)系統(tǒng)控制律。因此，本文的研究?jī)?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(dòng)力特性數(shù)學(xué)模型。根據(jù)舵/翼舵、鰭/翼鰭水動(dòng)力系數(shù)圖譜，通過(guò)分析圖譜曲線的特點(diǎn)，選擇合理的回歸模型，對(duì)

3、圖譜進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，應(yīng)用最小二乘法對(duì)回歸模型的參數(shù)進(jìn)行擬合，并對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，以確定可用于工程計(jì)算的水動(dòng)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(yùn)動(dòng)非線性耦合模型，并給出舵/翼舵、鰭/翼鰭對(duì)船舶作用力及力矩的計(jì)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(dòng)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(dòng)能量方程，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)能量方程的基礎(chǔ)上，本文提出了“系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(duì)舵角/翼舵角(鰭角/翼鰭角)進(jìn)行智能優(yōu)化。 接著，設(shè)計(jì)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(duì)船舶航向控制、橫搖控制、航向/橫搖控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。 最后，對(duì)所設(shè)計(jì)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(dòng)模型下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的自動(dòng)舵系統(tǒng)和減搖鰭系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的舵/翼舵—鰭/翼鰭智能魯棒控制系統(tǒng)