船舶舵阻摇系统的研究

论文摘要

船舶阻摇是船舶与海洋工程的重要课题之一。船舶运动是一个非常复杂的运动,由于受到海浪、海风及其他干扰的影响,产生六自由度运动。在恶劣的海况条件下,对舰船的海上作业造成很大的安全隐患。本文介绍了舵阻摇的基本原理,基于切片理论建立了横荡、横摇与艏摇相互耦合的船舶横向运动方程以及垂荡与纵摇耦合的两自由度船舶纵向运动方程。建立了海浪扰动成型滤波器,对海浪扰动力及扰动力矩进行了建模。将海浪扰动成型滤波器作为船舶运动系统的一部分,建立了船舶增广运动方程。通过对舵阻摇的研究,许多研究者发现,船舶模型参数的不确定性成为影响舵阻摇技术的关键所在。本文首先采用PID控制方法进行控制,在MATLAB软件中运用simulink工具箱对其进行仿真,得到的仿真曲线结果表明在某些条件下最大能达到53%的减摇效果,同时能较好的控制航向,甚至改善航向控制,艏摇角比未减摇前有时甚至更小。由于海浪扰动力及力矩无法测量,而我们却比较容易测得船舶的运动姿态,我们可以通过卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波等方法对海浪扰动力与力矩进行估计。采用π型舵作为减摇装置,采用最优控制的方法控制。由于扰动输入模型不同,中间过程中被反馈的状态估计结果就不同,从而分为次优控制与最优控制。仿真比较后发现,最优控制效果优于次优控制效果。在系统扩展时,扩展状态中不仅包含有系统状态,还包含了随机海浪扰动的信息,此时的扩展随机最优控制量包含了系统状态的负反馈以及随机海浪扰动的补偿。通过理论分析和仿真结果得出,对于舵阻摇系统,扩展随机最优控制优于经典随机最优控制。结果表明舵阻摇系统具有很大的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、目的和意义
• 1.2 减摇技术发展现状
• 1.2.1 主要减摇设备
• 1.2.2 舵阻摇国内外发展状况
• 1.2.3 舵阻摇技术存在的问题
• 1.3 本文主要工作内容
• 第2章 船舶运动模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 船舶运动方程的建立
• 2.2.1 船舶运动受力分析
• 2.2.2 船舶三自由度线性模型
• 2.2.3 船舶六自由度运动
• 2.2.4 船舶六自由度方程的建立
• 2.3 船舶运动离散状态空间模型
• 2.3.1 船舶离散状态空间模型的建立
• 2.3.2 状态空间稳定性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 海浪扰动力和扰动力矩估计
• 3.1 引言
• 3.2 随机海浪理论基础
• 3.2.1 长峰波随机海浪理论基础
• 3.2.2 海浪谱密度
• 3.2.3 随机海浪仿真
• 3.3 海浪成型滤波器
• 3.3.1 经典功率谱估计
• 3.3.2 经典谱估计
• 3.3.3 成型滤波器
• 3.4 船舶扰动估计
• 3.4.1 卡尔曼滤波估计
• 3.4.2 扩展卡尔曼滤波估计
• 3.5 本章小结
• 第4章 舵阻横摇控制系统
• 4.1 引言
• 4.2 舵阻摇的基本原理
• 4.3 舵阻摇PID控制系统
• 4.3.1 船舶传递函数
• 4.3.2 控制方法
• 4.4 舵阻横摇最优控制系统
• 4.4.1 二次型最优线性系统简介
• 4.4.2 舵阻横摇次优控制
• 4.4.3 舵阻横摇最优控制
• 4.5 舵阻纵摇最优控制
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢