船舶操縱性仿真與舵鰭聯(lián)合控制方法研究.pdf

1、船舶操縱性是指在控制裝置的作用下,船舶保持或改變?cè)瓉?lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。操縱性好的船在航行時(shí)可以及時(shí)的避開(kāi)障礙物,減少碰撞的發(fā)生。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變,船舶一旦出現(xiàn)碰撞或傾覆,就會(huì)造成人員的傷亡或船上化學(xué)品的泄漏,產(chǎn)生嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題以及生態(tài)問(wèn)題,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以人們對(duì)船舶操縱性提出更高的要求,對(duì)船舶減搖也提出更多的方法策略。為了減小船舶橫搖,除了用減搖鰭之外,操舵在影響船舶艏搖的同時(shí)也能夠產(chǎn)生橫搖力矩,將減搖鰭和舵進(jìn)行綜合控制,可

2、以在保證船舶航向的同時(shí)提高船舶的減搖效率。所以,這種舵/鰭聯(lián)合控制的減搖方法也逐漸受到人們的重視?；谡n題的研究?jī)?nèi)容,本論文的主要工作如下:
　　首先,基于平野數(shù)學(xué)模型建立了船舶四自由度非線性的運(yùn)動(dòng)方程,方程中給出了每個(gè)水動(dòng)力參數(shù)的求解方法,并包含了控制裝置舵和鰭以及推進(jìn)器的數(shù)學(xué)模型。模型中充分考慮了舵機(jī)和鰭機(jī)的飽和限位,以及有效攻角的問(wèn)題。翼面轉(zhuǎn)速影響其有效進(jìn)速和有效攻角,從而影響翼面的水動(dòng)力。
　　其次,建立環(huán)境干擾模型

3、,包括海浪、海流和海風(fēng)。利用余弦序列權(quán)重系數(shù)法來(lái)完成規(guī)則波干擾力的數(shù)學(xué)描述,通過(guò)將若干規(guī)則波的疊加,實(shí)現(xiàn)海浪隨機(jī)干擾的數(shù)學(xué)模型。分析海流的特點(diǎn)和海風(fēng)的特性,利用相對(duì)與絕對(duì)速度的關(guān)系完成海流干擾的數(shù)學(xué)模型。利用Isherwood公式,完成海風(fēng)作用于船體干擾的數(shù)學(xué)模型。
　　然后,從船舶操縱的典型運(yùn)動(dòng)——回轉(zhuǎn)和Z形運(yùn)動(dòng)入手,分析操舵影響船舶運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,完成相應(yīng)的仿真。通過(guò)仿真結(jié)果與水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,結(jié)果表明,二者誤差較小,仿真方法可

4、行。之后仿真其它一些船舶操縱運(yùn)動(dòng),包括威廉森回轉(zhuǎn)、頻繁操舵等。仿真中考慮了航速、舵角和舵速的影響。結(jié)合理論與仿真結(jié)果,得出船舶操縱性除了受到船型的影響之外,舵型參數(shù)和舵轉(zhuǎn)速也能夠影響船舶操縱性的結(jié)論,因此在船型參數(shù)確定的前提下可以通過(guò)優(yōu)化舵型參數(shù)來(lái)提高船舶的操縱性能。
　　最后,由于船舶控制系統(tǒng)中存在各種不確定因素,選用解決該問(wèn)題較為成功的H∞混合靈敏度魯棒優(yōu)化算法,完成舵/鰭聯(lián)合控制器的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)非線性模型的分析,把它