喷水推进船舶的航向/航速控制研究

论文摘要

随着喷水推进技术和喷水推进器制造技术的发展,采用喷水推进器作为船舶动力的船只越来越多,所包含的船型也越来越广,在军事领域以及民用领域得到了成功的应用。因此关于喷水推进船舶的控制技术也逐渐吸引了该领域研究人员的高度重视。本文以喷水推进船舶为研究对象,开展了航向和航速综合控制技术的研究工作。首先,论文针对喷水推进器矢量推力模型及船舶运动模型进行了研究,在分析推力影响因素、采用能量守恒和动量定理建立推进器推力与船舶航速和水泵转速的关系、分析推进器喷口角度和倒车斗作用的影响基础上,建立推力矢量模型;在分析船舶水动力、喷口转动特性及水泵转速调节特性的基础上,建立了船舶运动模型。其次,利用推力矢量模型和船舶运动模型,分析了喷口角度变化和水泵转速变化对船舶纵向推力损失和转向力矩损失的影响,得到不同推力、不同喷口转角与船舶的转向速度、横倾角度和航速变化的关系,通过限制转向过程中的横倾角度,给出船舶安全机动时的喷口转动角度。再次,开展了航向、航速分离控制方法的研究,将系统分解为航向、航速独立控制回路,将相互耦合关系作为各回路的扰动,并利用摄动理论简化了系统模型,考虑喷角转动特性和水泵转速调节特性使航速和航向控制系统具有不匹配不确定特性,利用反步设计方法对处理不匹配系统具有的优越性,设计了滑模变结构控制和反步设计相结合的控制方法,实现了航向的控制。在航速控制中,将反步法与动态逆相结合,解决了反步设计过程中虚拟控制量导数求解困难的问题,有效实现了航速的控制;开展了航向、航速综合控制方法的研究,将航向和航速模型组成双输入双输出耦合系统,针对有界干扰和未知参数的影响,设计了反步控制器,实现了航向航速的解耦控制;并针对航向、航速综合控制方法,采用滑模控制解决了系统的建模不确定性和干扰问题,并减少了参数调节量,降低了参数确定难度,运用积分滤波器替代控制规律中的虚拟控制量导数求取,减少了设计计算量,应用神经网络实现对喷水推进器的纵向推力和转向力矩的动态逆求解,不仅提高了控制模型准确性,而且减少了喷水推进器对系统造成的不确定性的影响。最后,对论文的工作和取得成果进行了总结,并对进一步需要开展的研究工作进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究发展现状综述
• 1.2.1 国内外船舶喷水推进器发展和研究概况
• 1.2.2 国内外推力矢量控制研究概况
• 1.2.3 国内外航向/航速控制研究概况
• 1.2.4 国内外反步控制方法的研究概况
• 1.3 基于喷水推进器船舶控制技术难点
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 喷水推进器推力矢量研究
• 2.1 喷水推进器的原理和应用
• 2.1.1 喷水推进器的发展和应用
• 2.1.2 喷水推进器的原理和结构
• 2.2 喷水推进器推力影响因素分析
• 2.2.1 边界层对喷水推力的影响
• 2.2.2 喷水损失因素
• 2.3 喷水推进器推力矢量分析
• 2.3.1 喷口水流速度分析
• 2.3.2 推进器推力分析
• 2.3.3 推力矢量仿真分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 喷水推进船舶运动模型研究
• 3.1 船舶操纵模型
• 3.1.1 船舶附加质量
• 3.1.2 船体上粘性流体动力和力矩
• 3.2 海浪干扰
• 3.2.1 波浪干扰的坐标系统
• 3.2.2 规则波的干扰力
• 3.3 喷口转角调节模型
• 3.4 喷水泵转速调节模型
• 3.5 船舶开环运动特性规律总结
• 3.6 本章小结
• 第4章 喷水推进船舶的航向/航速分离控制
• 4.1 航向/航速分离的控制结构及其数学模型
• 4.1.1 航向/航速分离的控制结构
• 4.1.2 航向/航速控制的数学模型
• 4.2 基于动态逆的航速不匹配系统反步设计
• 4.2.1 反步法控制与动态逆原理
• 4.2.2 基于动态逆的反步滑模航速控制系统设计
• 4.2.3 仿真结果与分析
• 4.3 基于滑模变结构的航向不匹配系统反步设计
• 4.3.1 自适应反步控制的设计方法
• 4.3.2 反步滑模控制的设计方法
• 4.3.3 基于反步滑模的航向控制系统设计
• 4.3.4 仿真结果与分析
• 4.4 分离控制仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 喷水推进船舶的航向/航速综合控制
• 5.1 航向/航速控制系统数学模型
• 5.2 基于反步的船舶航向/航速系统有界干扰的控制
• 5.2.1 有界扰动的串级系统控制设计
• 5.2.2 有界扰动的航向/航速控制器设计
• 5.2.3 仿真分析
• 5.3 基于反步自适应的航向/航速系统未知参数的控制
• 5.3.1 未知参数的串级系统控制设计
• 5.3.2 船舶未知参数的航向/航速控制器设计
• 5.3.3 仿真分析
• 5.4 船舶航向/航速系统的综合控制
• 5.4.1 非线性串级系统控制设计
• 5.4.2 基于反步自适应的航向/航速系统综合控制器设计
• 5.4.3 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 航向/航速综合控制的优化改进
• 6.1 基于积分滤波的反步滑模串级系统控制
• 6.1.1 基于反步滑模的多输入多输出串级系统控制
• 6.1.2 串级系统反步滑模控制积分滤波改进
• 6.2 基于神经网络动态逆的串级系统反步滑模控制
• 6.2.1 基于神经网络的动态逆的模型
• 6.2.2 基于神经网络动态逆的串级系统反步滑模设计
• 6.3 船舶航向/航速综合控制系统设计仿真
• 6.3.1 航向/航速综合控制系统设计
• 6.3.2 航向/航速综合控制系统仿真
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢