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舵鳍联合控制对船舶回转特性的影响研究

舵鳍联合控制对船舶回转特性的影响研究

作者：王栋宇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

操纵性的好坏直接关系到船舶在海上的生存能力，回转性便是船舶操纵性中重要的组成部分。船舶回转的同时会伴有一定的横倾角，如果此时存在外界干扰，易造成船舶倾覆等海难事故的发生。本文主要研究舵鳍联合控制下的船舶回转特性，即考... 详细信息

操纵性的好坏直接关系到船舶在海上的生存能力，回转性便是船舶操纵性中重要的组成部分。船舶回转的同时会伴有一定的横倾角，如果此时存在外界干扰，易造成船舶倾覆等海难事故的发生。本文主要研究舵鳍联合控制下的船舶回转特性，即考虑船舶原有回转特性的基础上，通过减摇鳍的控制作用来改善船舶的回转特性，分别对船舶回转过程中的横倾和回转圈参数进行控制研究。本文的主要工作如下：首先，建立船舶的四自由度非线性运动模型，分别考虑作用在船体、螺旋桨、舵和鳍上的水动力和水动力矩。为了使得模型足够精确，将船体水动力中的部分三阶水动力考虑在内，同时考虑舵鳍传动机构的非线性特性，以及舵鳍有效攻角问题。由于船舶航行环境的复杂多变，建立随机海浪、定常海流和稳流海风等干扰对船舶四个自由度上的运动所产生干扰力和力矩的数学模型。其次，根据建立的数学模型搭建仿真模型，并对仿真船舶原有的回转性能进行仿真分析，即先进行不考虑减摇鳍作用的船舶回转运动，并通过经验公式验证仿真模型的正确性。对船舶回转特性随船舶初始航速、舵角和舵速的变化规律和不同外干扰下的船舶回转运动进行研究。然后，详细的分析了静态减摇鳍作用下的船舶回转运动，分别对船舶拥有单对鳍和两对鳍的情况进行仿真分析，通过对比发现船舶回转运动各参数随鳍角的变化规律，以及单对鳍与两对鳍在相同条件下所产生作用的差异。最后，根据静态减摇鳍对于船舶回转运动影响的结论设计控制器，其中控制方法分别采用传统PID控制和神经元自适应PID控制。对船舶普通回转运动中的回转横倾与回转圈参数分别进行控制，以及对单对鳍作用下的威廉森回转进行研究。通过研究表明，船舶的回转特性能够在减摇鳍的作用下得到很好的改善。一定海况下的回转横倾能够得到有效减小，同时在船舶需要快速紧急转弯或是避碰时，可以通过减摇鳍来尽可能的减小船舶回转圈参数。

关键词：回转运动非线性运动模型舵鳍联合控制神经元自适应PID控制

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精确反馈线性化在舵鳍联合控制上的应用

精确反馈线性化在舵鳍联合控制上的应用

作者：宫永超大连海事大学

学位级别：硕士

本文选择用状态反馈精确线性化方法,将响应型船舶运动的非线性数学模型进行线性化,再利用基于闭环增益成形算法的鲁棒控制器进行控制。本文分成两部分,首先使用状态反馈精确线性化方法把单输入单输出(SISO)系统的非线性船舶数学模型进... 详细信息

本文选择用状态反馈精确线性化方法,将响应型船舶运动的非线性数学模型进行线性化,再利用基于闭环增益成形算法的鲁棒控制器进行控制。本文分成两部分,首先使用状态反馈精确线性化方法把单输入单输出(SISO)系统的非线性船舶数学模型进行线性化。本文根据先验知识,用具有工程意义的带宽频率、高频渐近线斜率、最大奇异值和频谱峰值四个参数构造了闭环系统的传递函数阵,给出了SISO系统的闭环增益成形算法,再利用基于闭环增益成形算法的鲁棒控制器进行控制。研究并建立风浪干扰的非线性模型,通过编写S函数来实现之。把它们加入到非线性模型中,以提高仿真的可信度。运用Simulink工具箱得出加风浪后系统的输出曲线,通过观察输出曲线,可以看到航向保持很理想,仿真结果表明,所设计的控制器对单输入单输出(SISO)系统具有良好的鲁棒性能。然后再使用状态反馈精确线性化方法对多输入多输出系统的非线性船舶数学模型进行线性化,再利用基于闭环增益成形算法的鲁棒控制器进行控制,运用Simulink工具箱进行仿真,给出了初步的研究结果。

关键词：闭环增益成形船舶非线性模型状态反馈精确线性化舵鳍联合控制鲁棒控制

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船舶回转过程中的舵鳍联合MPC控制

控制理论与应用 2024年第10期41卷 1863-1872页

作者：宋吉广梁利华史洪宇哈尔滨工程大学智能科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

海浪和海风会加大船舶在回转过程中产生的横倾,降低设备和人员的效率.为此,本文设计了基于干扰速度补偿的模型预测控制器来减小回转过程中产生的横倾和横摇.不同于直航状态下的联合减摇控制,针对回转过程会造成运动方程产生更大不确定... 详细信息

海浪和海风会加大船舶在回转过程中产生的横倾,降低设备和人员的效率.为此,本文设计了基于干扰速度补偿的模型预测控制器来减小回转过程中产生的横倾和横摇.不同于直航状态下的联合减摇控制,针对回转过程会造成运动方程产生更大不确定性问题,采用扩张状态观测器对运动方程的变化和外部扰动进行估计,并将估计结果直接引入到模型预测控制所产生的控制量中.通过遗传算法实现控制力/力矩到舵角和鳍角执行量的最优分配.通过数值仿真和船模试验对所设计的控制策略进行了验证,结果显示,可以使船舶横倾和横摇限制在要求的安全包络之内.

关键词：船舶回转舵鳍联合控制模型预测控制扩张状态观测器

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舵鳍联合自抗扰主从控制策略设计

控制理论与应用 2021年第2期38卷 264-274页

作者：宋吉广王继铭梁利华史洪宇哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨150001

在分析舰船航行中所受干扰特性的基础上,针对目前舵鳍联合控制中存在的问题,以虚拟控制力作为中间变量,设计了主从结构的舵鳍联合控制策略.主控制器采用非线性干扰观测器对环境扰动和模型不确定性进行估计,在此基础上以虚拟控制力作为... 详细信息

在分析舰船航行中所受干扰特性的基础上,针对目前舵鳍联合控制中存在的问题,以虚拟控制力作为中间变量,设计了主从结构的舵鳍联合控制策略.主控制器采用非线性干扰观测器对环境扰动和模型不确定性进行估计,在此基础上以虚拟控制力作为控制量采用自抗扰结构,对船舶三自由度运动进行联合控制.同时,在主控制器设计中包含了舵/鳍伺服系统的实际约束,保证了从控制器解的可行性.基于遗传算法设计了数值反演从控制器,求取最终的控制量.通过船模试验和仿真对所设计的控制器进行了验证,试验和仿真结果表明所设计的两步主从控制策略具有较好的控制效果.

关键词：舵鳍联合控制非线性模型非线性干扰观测器自抗扰控制主从结构

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船舶舵鳍联合减摇模糊变结构控制研究

中国航海 2005年第4期28卷 1-3页

作者：张冰许可建姜长生江苏科技大学江苏镇江212003 南京航空航天大学江苏南京210016

分析了船舶运动的非线性模型,根据实际情况进行假设,得到了船舶舵鳍联合减摇控制系统的状态方程,把非线性船舶舵鳍联合控制模型转化为可控正则型;将船舶运动模型看作是由横摇、艏摇、横荡3个子系统构成的大系统,进行了舵鳍联合控制,设... 详细信息

分析了船舶运动的非线性模型,根据实际情况进行假设,得到了船舶舵鳍联合减摇控制系统的状态方程,把非线性船舶舵鳍联合控制模型转化为可控正则型;将船舶运动模型看作是由横摇、艏摇、横荡3个子系统构成的大系统,进行了舵鳍联合控制,设计了舵鳍联合控制器和分散非线性变结构控制器,为了改善控制的品质,又进一步提出了模糊趋近律变结构控制的方法,最后针对减摇控制器进行了MATLAB仿真研究。仿真结果表明:舵鳍联合控制器能够很好的抑制船舶的横摇和艏摇,并能尽可能的减小横荡。

关键词：船舶舰船工程减摇舵鳍联合控制变结构控制模糊趋近律

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舵鳍联合鲁棒控制系统研究

舵鳍联合鲁棒控制系统研究

作者：于萍哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

传统的船舶航向保持和横摇稳定是分别作为两个独立的问题来处理的。随着船舶操纵性和现代控制理论的研究的不断深入，多输入多输出的舵鳍联合控制系统逐渐受到人们的重视。但所有的研究无论是用最优控制、LOG控制还是模糊控制，都是基... 详细信息

传统的船舶航向保持和横摇稳定是分别作为两个独立的问题来处理的。随着船舶操纵性和现代控制理论的研究的不断深入，多输入多输出的舵鳍联合控制系统逐渐受到人们的重视。但所有的研究无论是用最优控制、LOG控制还是模糊控制，都是基于船舶运动的线性模型，忽略了船舶运动的非线性。船舶的横摇运动与水平面运动是强烈耦合的，而这种相互耦合的运动根据试验数据往往被拟合为非线性函数的形式，同时船舶在海上运动又会受到海浪的干扰作用。可见船舶的运动本质上是耦合非线性、大干扰的过程，本文基于船舶的非线性运动模型进行舵鳍联合控制系统的设计，在控制航向的同时，达到较高的减摇效果。首先，基于动量定理、动量矩定理建立了首摇、横荡、横摇三个自由度的船舶运动方程，并分析了船体所受外力(及力矩)，包括船体水动力、舵、鳍上所受的流体动力及海浪的干扰。给出了随机海浪波高、横荡力、横摇力矩、艏摇力矩的仿真算法。然后，对船舶运动的非线性模型进行了分析。为了得到船舶舵鳍联合控制系统的状态反馈H设计的数学模型，把非线性项及与横荡速度相关的项也看作是对系统的扰动，把非线性船舶舵鳍联合控制系统设计问题化为以二次型性能指标为目标函数的干扰抑制的H线性系统设计问题。并通过引入适当的标定矩阵的方法，使被控对象满足正交条件，在验证前提条件之后，采用基于Riccati不等式的状态反馈H标准控制问题的解法进行控制器设计。为不同的海情选取了加权阵，求出控制器，完成了船舶舵鳍联合控制系统的设计工作最后，用MATLAB语言对控制器进行仿真，从仿真曲线和仿真数据可以看出，使用状态反馈H控制理论设计出来的控制器对艏摇与横摇有较好的控制效果，而对横荡控制效果不理想，基本达到控制目的。

关键词：干扰抑制 H∞系统设计非线性舵鳍联合控制

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船舶舵鳍联合减摇控制策略研究

船舶舵鳍联合减摇控制策略研究

作者：马亮大连海事大学

学位级别：硕士

由于船舶在航行过程中会受到恶劣天气和风浪的影响,导致各种各样的海上事故,轻则导致船体受损,重则会危及人身及货物的安全,造成严重的后果。这些事故往往是因为船舶本身受到外力影响产生的强烈的横摇,使得船体左右剧烈摇晃,最终酿成严... 详细信息

由于船舶在航行过程中会受到恶劣天气和风浪的影响,导致各种各样的海上事故,轻则导致船体受损,重则会危及人身及货物的安全,造成严重的后果。这些事故往往是因为船舶本身受到外力影响产生的强烈的横摇,使得船体左右剧烈摇晃,最终酿成严重的事故。所以说,对船舶横摇的控制是很有必要的。传统的减摇方式包括减摇鳍和舵减摇,但无论是哪种减摇方式,它们自身都有其局限性。比如减摇鳍装置在低速时减摇效果较差,而且减摇鳍的运动还会产生艏摇。而舵减摇虽然能在一定程度上起到减摇的作用,但减摇效果没有减摇鳍好,而且还要兼顾航向。所以,舵鳍联合减摇控制便是在综合了各自特点的同时发展起来的一种新型减摇方式。本文针对船舶运动模型设计了舵鳍联合减摇H。控制器,而在航向控制方面,在传统的PID自动舵的基础上采用卡尔曼滤波器对航行过程中遭遇的风浪干扰进行抑制,从而在减摇的同时达到控制航向的目的。首先介绍了惯性坐标系和附体坐标系中6自由度船体的运动,对船体平移运动和旋转运动方程的建立进行了推导。对船舶舵和鳍在航行过程中的所受的流体力进行分析,建立了动力学方程。其次,对风浪干扰模型的物理本质出发,介绍了风速变动的谱密度函数,给出了干扰力或干扰力矩的具体计算方法。然后给出了两种常用的风浪谱密度公式,以及用波谱密度生成的波面历时值的方法和推导,利用这种方法,有助于进行船舶运动的仿真研究。最后,通过对舵鳍联合控制系统进行控制器的设计,并进行Matlab仿真实验,针对不同海况对系统进行仿真研究,通过仿真曲线可以看出,本文所设计的舵鳍联合控制系统无论是在减摇,还是航向的控制上,均能取得良好效果。

关键词：舵鳍联合控制 H∞鲁棒控制卡尔曼滤波风浪干扰

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约束条件下的舵鳍联合减摇控制研究

计算技术与自动化 2014年第2期33卷 64-68页

作者：阮苗锋宋立忠田英俊海军工程大学湖北武汉430033

舵鳍联合减摇是一种新型减摇方法。在已有研究文献的基础上,基于输入输出线性化的鲁棒控制器设计方法,针对某集装箱船设计舵鳍联合减摇控制器,并重点研究舵速、鳍速限制对减摇效果与航向保持效果的影响,探讨舵速与鳍速之间的制约关系。... 详细信息

舵鳍联合减摇是一种新型减摇方法。在已有研究文献的基础上,基于输入输出线性化的鲁棒控制器设计方法,针对某集装箱船设计舵鳍联合减摇控制器,并重点研究舵速、鳍速限制对减摇效果与航向保持效果的影响,探讨舵速与鳍速之间的制约关系。仿真结果表明鳍速越低、舵速越高则减摇效果越好,但舵速、鳍速均有一上限值,超过上限值后,舵速、鳍速变化对减摇效果及航向保持效果的进一步改善不再明显。

关键词：舵鳍联合控制输入输出线性化鲁棒控制舵速限制鳍速限制

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基于姿态控制的船舶自航模研究

基于姿态控制的船舶自航模研究

作者：沈云飞哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

舰船在航行过程中,由于受到自身运动和诸多环境因素的影响,常常导致船体产生摇摆运动,船舶的摇摆会影响到船舶的操纵性和耐波性。本文针对船舶的操纵性和耐波性设计自航模,采用舵鳍PID控制器控制船舶运动中的姿态,对船舶自航模的设计和... 详细信息

舰船在航行过程中,由于受到自身运动和诸多环境因素的影响,常常导致船体产生摇摆运动,船舶的摇摆会影响到船舶的操纵性和耐波性。本文针对船舶的操纵性和耐波性设计自航模,采用舵鳍PID控制器控制船舶运动中的姿态,对船舶自航模的设计和姿态控制做了深入研究。首先,介绍自航模和舵鳍联合控制的发展及国内外研究现状,分析国内外各种自航模关键技术的优势及舵鳍联合控制的发展趋势。其次,根据船舶设计原理给出船舶重心和稳心的估算方法,完成了对舵、鳍和螺旋桨尺寸的估算及其型号的选择。通过对船舶的受力分析,建立船舶运动数学模型。将船舶运动数学模型简化为纵荡、横荡、横摇和艏摇四自由度运动模型。把船舶所受外力分解成水动力、推进力、环境干扰力和控制力,分别建立各部分数学模型。然后,对自航模系统进行总体设计,将自航模系统分为船载子系统和岸基子系统两部分,并完成系统中的控制器、推进器、舵机模块、姿态采集模块、GPS模块、能源模块以及无线传输模块的设计。最后,根据船体各部分数学模型,建立船舶运动控制模型。设计舵鳍PID控制器,根据船舶运动控制模型和舵鳍PID控制器搭建船舶姿态控制系统,对船舶回转和航向控制进行仿真实验,分析船舶姿态控制系统的减摇效果。同时,设计自航模半实物仿真系统,建立虚拟船硬件回路,完成人机交互界面的设计和对船舶姿态控制系统减摇效果的进一步验证。研究表明,本文设计的船舶姿态控制系统可以较好的控制船舶姿态,对船舶操纵性仿真实验以及船舶控制系统的半实物仿真实验都能达到一定的减摇效果。

关键词：自航模舵鳍联合控制半实物仿真姿态控制