船舶航向保持鲁棒容错控制

发布时间：2020-11-20 00:12

　　 在共建“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”(简称为“一带一路”)倡议及建设海洋强国的背景下,水上货物运输尤为重要。船舶作为水上货物运输的主要载体,在航行中会面临复杂的水文及气象条件,而且随着时代的发展及科技的进步,船舶大型化、复杂化、专业化已经成为趋势,一旦船员操作失误或船舶设备出现故障等不能正常运行的情况,就可能导致整个船舶出现问题,进而导致船舶耽误正常的船期或者船舶事故的发生,船期延误会带来经济损失,而船舶事故的后果更是无法估量。所以,有必要对船舶在运行中可能出现的故障进行判断,并针对船舶可能出现的故障进行容错控制,使之能够保持正常的运行或者在降低一些船舶性能的情况下保证整体安全。本文将基于幂函数的非线性馈饰(nonlinear feedback and decoration,NFAD)技术应用于船舶航向保持控制,并在仿真中加入舵机特性、风浪干扰等以使仿真试验更加贴近航海实践。通过对船舶运动模型进行旋回仿真试验并将实验结果与船舶实船海试实验数据进行对比,验证了船舶模型的精度。采用闭环增益成形算法设计鲁棒PID控制器,并在仿真中加入基于幂函数的非线性馈饰技术对控制器进行改进,以期达到优化控制效果的目的。文中以大连海事大学实习船“育鲲”轮参数建立运动模型进行船舶航向保持控制仿真试验,并对实验结果进行分析,验证了非线性馈饰技术的有效性和其对控制性能的改善。通过对船舶航向保持中常用传感器和执行器可能出现的故障进行考虑及分类,在不重新设计控制器的基础上加入故障诊断及隔离技术,使船舶在传感器或执行器出现不同类型故障的情况下能够以降低一些控制性能但保证船舶正常航行的情况下达到预期的运行效果,从而进行航向保持容错控制。仿真试验证明了所采用的故障诊断与隔离方法的有效性,对船舶航向保持中可能出现的故障导致船舶失控的情况进行遏制。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U664.82
【部分图文】：

?＇?大连海事大学硕士学位论文???２基础理论知识??２．１闭环增益成形算法??闭环增益成形算法是由张显库教授于１９９８年基于１１？鲁棒控制的混合灵敏度控制算??法的结果和回路成形算法的思想提出一种简捷鲁棒控制算法。闭环增益成型算法的特点??是一种工程性算法，立论的物理概念清晰，求解过程简单［５｜］。??闭环增益成形算法是在鲁棒控制理论框架下提出的一种基于闭环增益成形的控??制算法。通过观察鲁棒控制的Ｓ／Ｊ混合灵敏度奇异值曲线（图２．１），并且考虑Ｓ和ｒ??的相关性（ｒ?＝?／－ｓ），它避免了权函数的选择而是对系进行闭环增益成形，以确定闭??环系统的传递函数即ｒ为核心，用闭环系统的最大奇异值、关门斜率、闭环频谱峰值及??带宽频率等四大具有工程意义的参数直接进行闭环系统鲁棒控制器的构造。??２０｜??；?—????－６０／??一８〇｜——???????－■?一一…■??／（ｒａｄ／ｓ）??图２．ｉ?典型的ｓ＆ｒ奇异值曲线??Ｆｉｇ．?２．１?Ｔｙｐｉｃａｌ?Ｓ＆Ｔ?ｓｉｎｇｕｌａｒ?ｖａｌｕｅ?ｃｕｒｖｅ??为使控制系统保持鲁棒稳定则要求系统具有低通的闭环频谱，并且为了保证系统能??够无静差地跟踪参考信号ｒ，其最大奇异值应为１；闭环系统的控制性能取决于系统的??带宽频率；而系统对有效频带以外的干扰频率的敏感程度取决于频谱的关门斜率，如果??关门斜率越大，则干扰衰减也越大，即系统对千扰所带来影响不敏感，从而可以增强控??制系统的鲁棒性能。但如果取过大的关门斜率，则会导致由此设计出的控制器阶数的增??高，这种情况下不利于控制器的实现且其对控制效果的改善也不明显［５１］。??一般地，将控制

图３．３旋回圈对比??Ｆｉｇ．?３．３?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｓｈｉｐ?ｔｕｒｎｉｎｇ?ｃｉｒｃｌｅ??

图３．４绝对风和相对风??Ｆｉｇ．?３．４?Ａｂｓｏｌｕｔｅ?ｗｉｎｄ?ａｎｄ?ｒｅｌａｔｉｖｅ?ｗｉｎｄ??
【参考文献】

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本文编号：2890640