船舶波浪中操纵横摇预报及航向跟踪控制研究

发布时间：2017-08-08 02:23

  本文关键词：船舶波浪中操纵横摇预报及航向跟踪控制研究

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【摘要】：为了海上航行的安全性和经济性需要,船舶在波浪中的操纵与控制一直是船舶理论界与航海控制界的研究热点。本文基于此研究背景分别从水动力模型和运动响应模型两个方面来研究船舶操纵性。水动力模型方面,利用MMG模型建立纵荡、横荡、艏摇和横摇四自由度耦合数学模型,根据统一理论思想在操纵运动模型中加入耐波性横摇运动并进行波浪力的建模。利用数学模型对船舶在波浪中操纵性与横摇进行了数值模拟,同时开展了对象船模的自航模试验进行模型验证。结果显示运动模型预报的操纵和横摇结果具有可信性。验证模型预报有效性后分析了船舶在不同工况下的操纵性能、横摇特性及舵效,给出了波浪中操舵建议。运动响应模型方面,利用操纵方程推导得出非线性操舵转艏响应模型。考虑了航向控制中的三个难点:运动非线性;模型不确定性;机构执行问题。针对性地进行随机参数摄动、干扰建模,自适应模糊控制器设计,舵机伺服系统及物理约束滤波器的设计。采用Simulink工具箱仿真了对象船模在不同期望航向、参数摄动和外界干扰下的控制效果,结果验证了控制器具有较好的稳定性、自适应性和抗干扰性,并将控制器用于不同船舶的航向控制,结果显示其具有较好的鲁棒性。
【关键词】：波浪中操纵 MMG模型 自航模试验 航向跟踪 自适应模糊补偿控制 Lyapunov稳定性设计
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.33
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 研究综述13-17
• 1.2.1 船舶操纵性研究现状13-15
• 1.2.2 航向跟踪控制研究现状15-17
• 1.3 本文主要工作及创新点17-19
• 1.3.1 主要工作17-18
• 1.3.2 主要创新点18-19
• 1.4 本文章节概述19-21
• 第2章 船舶操纵性数学模型及航向控制器设计21-49
• 2.1 概述21-22
• 2.2 运动坐标系统22-23
• 2.3 操纵性运动数学模型23-34
• 2.3.1 船体力25-27
• 2.3.2 螺旋桨力27-28
• 2.3.3 舵力28-30
• 2.3.4 波浪力30-34
• 2.4 程序环境及数值求解34-36
• 2.5 航向控制数学模型36-47
• 2.5.1 转艏非线性响应模型及舵机伺服系统模型36-39
• 2.5.2 外界干扰模型39-41
• 2.5.3 自适应模糊控制机理41-44
• 2.5.4 模糊控制器设计44-47
• 2.6 simulink数值仿真47-48
• 2.7 本章小结48-49
• 第3章 自航模试验49-73
• 3.1 概述49-50
• 3.2 试验系统及原理简介50-54
• 3.2.1 试验系统50-51
• 3.2.2 原理简介51-54
• 3.3 试验研究54-64
• 3.3.1 船模及惯量55-57
• 3.3.2 测速及螺旋桨敞水试验57-58
• 3.3.3 倾斜试验及自由横摇试验58-59
• 3.3.4 规则波横摇试验59-61
• 3.3.5 静水与波浪中操纵性试验61-64
• 3.4 操纵性规范验证及分析64-71
• 3.5 本章小结71-73
• 第4章 波浪中操纵性与横摇数值模拟73-106
• 4.1 概述73
• 4.2 数值模型验证73-85
• 4.2.1 操纵性模型验证73-76
• 4.2.2 波浪力模型验证76-80
• 4.2.3 横摇模型验证80-85
• 4.3 波浪中操纵性仿真85-99
• 4.3.1 规则波回转运动仿真86-94
• 4.3.2 规则波Z形运动仿真94-96
• 4.3.3 时变GZ特性对横摇的影响96-99
• 4.4 操纵性舵效分析99-105
• 4.4.1 舵速对舵效的影响99-101
• 4.4.2 浪向对舵效的影响101-103
• 4.4.3 舵速对回转横摇的影响103-105
• 4.5 本章小结105-106
• 第5章 航向跟踪控制数值模拟106-122
• 5.1 概述106
• 5.2 滤波器设计106-107
• 5.3 自适应律设计107-108
• 5.4 航向控制稳定性分析108-111
• 5.4.1 Lyapunov稳定性理论108-110
• 5.4.2 控制器稳定性分析110-111
• 5.5 直航及谐波航向跟踪控制111-120
• 5.5.1 控制结果分析111-115
• 5.5.2 鲁棒性分析115-120
• 5.6 本章小结120-122
• 第6章 研究总结与展望122-126
• 6.1 本文总结122-124
• 6.2 研究展望124-126
• 参考文献126-132
• 致谢132-134
• 攻读学位期间发表的学术论文134

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 聂海强;王锡淮;肖健梅;;自适应模糊控制在船舶航向控制中的应用[A];2011年中国智能自动化学术会议论文集（第一分册）[C];2011年

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本文编号：637847