自抗扰控制在减摇鳍系统中的应用与控制器设计

发布时间：2020-08-13 18:37

【摘要】：船舶在航行时受到海浪、海风等外界扰动,不可避免会产生多自由度摇荡运动。由于船舶横摇阻尼小,使得船舶发生横摇的几率更大,因此,船舶减摇装置成为船舶在海上安全航行必不可少的设备之一,且减摇装置操纵性能的好坏直接影响船舶在复杂海洋环境下的稳定性。减摇鳍作为一种主动式减摇装置,由于其减摇效果良好,被广泛应用于船舶减摇。减摇鳍工作主要依据海浪信息作有规律的变化,但由于海浪具有不可预测性,减摇鳍始终处于被动状态。为提高船舶减摇的效率,研究关于减摇鳍控制系统的实时性具有重要意义。因此,本文以减摇鳍控制系统为研究背景,提出将自抗扰控制应用于减摇鳍控制系统中。另外,控制器作为控制系统的核心,其性能直接影响控制系统的控制效果。因此,设计具有稳定性好、实时性强的控制器对减摇鳍控制系统的性能具有重要意义。同时为验证自抗扰控制在减摇鳍系统中的可行性,进行了减摇鳍控制器实物开发。本文主要从以下几方面做了研究:首先,在分析国内外减摇鳍的发展状况,对船舶在海浪中的受力进行分析,引出基于“力矩对抗”的控制原理,讨论了控制系统各部分组成情况,并参照实船模型对减摇鳍控制系统各部分参数就进行设置,同时对海浪、海浪谱以及横摇运动进行建模及仿真分析。其次,对自抗扰控制进行了研究,简介了ADRC的基本框架。介绍了ADRC主要由跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈控制律组成,建立了相应的数学模型。根据相应的数学模型搭建合适的Simulink仿真框图,对整个ADRC系统进行仿真,反复验证得到合适的ADRC控制参数。然后,根据设计要求选择了S3C2440处理器。根据实际控制器需求设计了硬件整体结构设计。然后依次设计了系统电源电路、复位电路、时钟电路、系统存储器设计电路、数模转换接口电路、JTAG调试接口设计和SD卡接口电路等主要外围电路。最后,在硬件电路设计完成的基础上,依据实际需求,对控制器系统进行软件开发。设计高质量的启动代码,配置合适的驱动程序,为应用程序的运行创造了良好的运行环境。并通过台架试验验证设计的可靠性。研究结果表明:针对自抗扰控制在减摇鳍中的应用进行了仿真分析,仿真结果表明自抗扰在减摇鳍应用中取得了理想的结果,具有较好的减摇效果。以自抗扰控制为控制算法,设计研发的ARM减摇鳍控制器,更能突出减摇鳍控制的智能化,所以具有很好的研究价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.72
【图文】：

减摇鳍

图 1.1 Sperry 减摇鳍系统美国 Naiad 减摇鳍aiad 海事公司所设计的减摇鳍系统具有针对不同海况时的自适应器对船舶横摇运动进行检测，经先进的控制算法处理后，船舶在的减摇效果。

减摇鳍

图 1.2 Naiad 减摇鳍系统其它国家，国内在减摇鳍研究方面开始的较晚，直到 20 世哈尔滨工程大学最早完成了首台减摇鳍的样机的设计和生产机的船舶进行了实际航海测试实验，结果表明取得良好的减

减摇鳍,减摇水舱

图 1.3 减摇鳍装船图 1.4 减摇鳍液压控制系统减摇水舱能够解决零航速下的船体震荡，依据设计主要分为主动式和被动式两种。动式减摇水舱一般需要在船体中留出了一个巨大的 U 型槽，灌入定量的水，通过增加尼达到稳定船体的目的，减摇水舱最佳的作用效果能够减少波动幅值的百分之五十以[10]。但是这种减摇方式有效减摇的波浪频率较窄，设计不合理的话减摇效果会有加剧

【参考文献】