大型双桨双舵船舶操纵性及智能控制的仿真研究

发布时间：2017-08-20 02:20

  本文关键词：大型双桨双舵船舶操纵性及智能控制的仿真研究

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【摘要】：随着水路运输和船舶工业的快速发展,当前国内外运输船舶大型化、高速化趋势明显,对船舶的操纵性的要求越来越高。2013年,以实现安全、高效、节能和环保为目标,马士基向韩国大宇造船订购的多艘高达18000TEU超大型双桨双舵的集装箱船舶投入营运。其被定义为3E级船舶,在追求经济效益的同时,更加注重社会效益和环境效益。对于如此巨大的船舶配备双桨双舵,可以使船舶具有更加灵活自主的操纵性能。对于此类型船舶操纵运动的建模和控制研究,是具有重要理论和工程意义的科学问题。 本文采用MMG模型的建模机理,对船体、舵、桨和外界的干扰分别进行研究,建立了双桨双舵船舶的运动数学模型,并仿真计算实船的旋回试验曲线来验证模型的准确性。根据船舶的不同的航行状况,在高速域采用双桨同速推进,双舵联动控制,对满载和压载的不同工况进行仿真并与实船情况进行对比,而在低速域则对船舶采用双桨错车控制,双舵单独控制的方法对船舶的操纵性能进行仿真研究,并与另外一艘船舶尺度相似的单桨单舵船舶SHANG HAI号集装箱船作为对比研究对象,来研究在低速域,双桨双舵配合使用时的优越特性。 本文研究了船舶的航向保持控制问题,作者主要设计了二种智能控制器来实现船舶航向保持控制。第一种是根据偏差大小将引入的非线性函数实现在线调节PID参数,从而来提高控制器性能的变参数PID控制器。第二种是将小脑模型关节控制器(CMAC)与传统PID相结合,利用CMAC神经网络具有的收敛速度快、泛化能力强、结构简单、易于软硬件实现等特点。由于CMAC神经网络具有实时控制的功能,所以为了适应不同工况,而不必提前进行学习获得初始权值,本文将CMAC与PD控制器相结合,来实时在线学习。仿真结果表明：变参数PID控制器、CMAC与PID复合控制器均具有良好的控制效果,但CMAC与PID复合控制器的控制效果和鲁棒性要更加优越,且控制舵角的输出更小,曲线更平缓。该复合控制器在船舶的航向智能控制方面具有卓越的控制效果。
【关键词】：船舶运动模型 双桨双舵船舶 船舶航向控制 CMAC-PID复合控制器
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U675.9
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 论文的研究背景及意义10-11
• 1.2 双桨双舵船舶建模、操纵性及运动控制的研究现状11-13
• 1.3 本论文的主要研究工作13-14
• 第2章 大型双桨双舵船舶操纵运动数学模型14-34
• 2.1 大型双桨双舵船舶操纵运动坐标系和平面运动方程的建立14-18
• 2.1.1 船舶操纵运动坐标系的建立14-16
• 2.1.2 船舶平面运动数学模型方程式的建立16-17
• 2.1.3 船舶操纵运动参量的无量纲化17-18
• 2.2 船体上的流体动力和力矩的计算18-24
• 2.2.1 作用于船体上的惯性类流体动力和力矩的计算18-19
• 2.2.2 船体上的粘性类流体动力和力矩的计算19-24
• 2.3 船舶的主动力和主动力矩的计算24-29
• 2.3.1 螺旋桨推力的计算模型24-26
• 2.3.2 舵力及力矩的计算模型26-28
• 2.3.3 舵机的性能数学模型28-29
• 2.4 船舶干扰力(风,浪,流)及力矩的计算模型29-33
• 2.4.1 风的干扰数学模型29-31
• 2.4.2 浪的干扰数学模型31-32
• 2.4.3 流的干扰数学模型32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 大型双桨双舵船舶的操纵性研究34-52
• 3.1 大型船舶操纵性概述34-35
• 3.2 Triple E轮操纵性运动仿真的matlab实现35-36
• 3.3 Triple E轮的仿真计算36-51
• 3.3.1 高速满载情况下的满舵旋回运动仿真37-41
• 3.3.2 高速压载情况下的满舵旋回运动仿真41-45
• 3.3.3 高速满载情况下的10°/10°Z形试验的运动仿真45-46
• 3.3.4 错车旋回运动仿真46-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 船舶运动智能控制器的研究52-67
• 4.1 船舶自动舵系统简述52-53
• 4.2 船舶变参数PID控制器53-55
• 4.2.1 变参数PID控制器的结构53-54
• 4.2.2 变参数PID控制器的增益计算54
• 4.2.3 变参数PID的matlab实现54-55
• 4.3 CMAC与PID复合控制器55-60
• 4.3.1 CMAC神经网络结构55-57
• 4.3.2 CMAC与PID复合控制网络结构57-58
• 4.3.3 CMAC和PID复合控制器的控制算法58-59
• 4.3.4 CMAC与PID复合控制器的matlab实现59-60
• 4.4 各种控制器的航向保持控制仿真60-66
• 4.4.1 无风浪流影响的航向保持控制仿真61-64
• 4.4.2 考虑风浪流影响的航向保持控制仿真64-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第5章 结论与展望67-69
• 5.1 论文结论67-68
• 5.2 论文展望与不足68-69
• 参考文献69-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：704165