高速水翼船非线性运动建模及控制的研究

论文题目: 高速水翼船非线性运动建模及控制的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 交通运输工程

作者: 任俊生

导师: 杨盐生

关键词: 水翼船,运动建模,控制器设计,线性模型,模糊模型,并行分布补偿,线性矩阵不等式

文献来源: 大连海事大学

发表年度: 2005

论文摘要: 高速水翼船在从体航模式转换到翼航模式过程中,船体吃水逐渐减少使其容易受到外界环境干扰如风、浪等的影响,使水翼船的适航性降低。为此需要专门的控制系统以减小波浪而带来的船体摇荡。虽然已经有研究者利用传统控制理论的设计水翼船控制器,但是如何应用近年来控制理论的新成果进行设计仍然是一个需要研究的课题,并且以往的控制器设计不能满足在水翼船的整个工作区域上有效的特殊要求。为此本文提出了高速水翼船的数学模型,在此基础上利用近年来的控制理论新成果设计水翼船的控制器,并设计模糊增益规划控制器以满足其特殊要求。本文对高速水翼船运动建模和控制方面的主要工作和研究成果如下。 高速水翼船的数学模型不仅是研制其操纵模拟器的核心技术之一,也是设计控制器的重要依据和检验平台,因此本文从流体分析的角度提出高速水翼船垂荡和纵摇运动的数学模型。对模型中各个参数的计算方法,尤其是对水翼升力系数的计算,进行了较为详细的分析。高速水翼船具有在航行过程中船体姿态变化较大的特点,这将引起船体参数发生变化,因此本文提出拟合横剖面曲线的方法,在仿真过程中在线计算船型参数。并以高速水翼船HC200B-A1为例,利用Matlab的Simulink工具箱分别进行静水和波浪中的仿真研究。仿真研究的结果与船模水池试验数据对比表明,两者符合地较好,并且是符合航海实践的,因此所建立的高速水翼船运动非线性数学模型是可靠和令人满意的。 为了设计水翼船的控制器以提高其适航性,首先本文利用比例-微分(P-D)的方法设计水翼船的控制器,然而在同时对前、后襟翼进行控制时,传统的方法需要手工选择8个反馈系数。为此本文利用虚拟控制输入量的思想,把控制输入量分配在前、后襟翼,该方法仅需要手工调整4个系数。仿真结果表明该控制器设计具有良好的控制效果。为了进一步提高水翼船控制器的性能,本文利用近年来控制理论的研究新成果设计水翼船的控制器。为此本文对水翼船的非线性运动数学模型在设计速度点处进行线性化,提出了水翼船的线性状态空间模型,并在此基础上设计水翼船状态反馈H_∞控制器和输出反馈H_∞控制器。以高速水翼船HC200B-A1为例进行仿真研究,对状态反馈H_∞控制器与线性二次型调节器(LQR)

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 水翼船的发展和研究概况

1.2.1 国外水翼船的研究和使用

1.2.2 国内水翼船的研究和使用

1.3 基于T-S模糊模型设计控制器的研究概况

1.3.1 利用并行分布补偿(PDC)的思想设计模糊控制器

1.3.2 利用传统不确定性理论思想设计模糊控制器

1.4 本文的主要研究内容和创新点

第2章 高速水翼船运动的非线性建模

2.1 概述

2.1.1 高速船运动非线性数学模型的研究意义

2.1.2 水翼船非线性运动数学模型的研究现状

2.2 高速水翼船的运动建模

2.2.1 水翼船的结构和运动特点

2.2.2 水翼船非线性运动数学模型

2.2.3 水翼所产生的作用力

2.2.4 船体所产生的作用力

2.2.5 襟翼所产生的控制力

2.2.6 水翼处次波面的波形方程

2.3 水翼船的船体计算

2.3.1 水翼船HC200B-Al介绍

2.3.2 襟翼参数的确定

2.3.3 静水中纵姿态的计算

2.3.4 拟合水翼船的横剖面线

2.3.5 相关船体参数的计算

2.4 水翼船运动建模的仿真研究

2.4.1 水翼船非线性建模仿真流程

2.4.2 水翼船在静水中运动的仿真研究

2.4.3 水翼船在波浪中运动的仿真研究

2.5 本章小结

第3章 高速水翼船在设计航速处的控制器设计

3.1 水翼船P-D姿态控制器设计

3.1.1 P-D控制器设计

3.1.2 仿真研究

3.2 水翼船的线性状态空间模型

3.2.1 Jacobi线性化理论

3.2.2 Jacobi线性化水翼船非线性模型

3.3 水翼船状态反馈矾姿态控制器设计

3.3.1 状态反馈H_∞控制器设计

3.3.2 线性二次型调节器(LQR)理论

3.3.3 仿真研究

3.4 水翼船输出反馈H_∞姿态控制器设计

3.4.1 线性矩阵不等式(LMI)理论

3.4.2 区域极点配置理论

3.4.3 输出反馈H_∞控制器的设计

3.4.4 仿真研究

3.5 本章小结

第4章 高速水翼船模糊增益规划控制器设计

4.1 预备知识

4.1.1 模糊推理理论

4.1.2 Lypunov稳定性理论

4.2 基于模糊模型的模糊控制器设计

4.2.1 构建T-S模糊模型

4.2.2 模糊控制器设计

4.2.3 水翼船模糊控制器设计及仿真研究

4.3 非线性系统H_∞模糊控制器设计

4.3.1 基于模糊模型设计控制器的保守性分析

4.3.2 构建T-S模糊模型

4.3.3 H_∞鲁棒模糊控制器设计

4.3.4 水翼船H_∞模糊控制器设计的仿真研究

4.4 参数不确定非线性系统的模糊鲁棒控制

4.4.1 构建T-S模糊模型

4.4.2 模糊鲁棒控制器的设计

4.4.3 Chen混沌系统控制器设计的仿真研究

4.4.4 水翼船控制器设计的仿真研究

4.5 不确定非线性系统的输出反馈鲁棒模糊H_∞控制

4.5.1 构建T-S模糊模型

4.5.2 输出反馈鲁棒模糊H_∞控制器的设计

4.5.3 水翼船控制器设计的仿真研究

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 将来研究工作展望

创新点摘要

攻读博士学位期间公开发表的论文

致谢

参考文献

发布时间: 2005-10-13

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