水面舰艇在高海情下的横摇运动姿态控制技术研究

论文摘要

由于船舶航行时所处的海洋环境的复杂性，船舶运动是一个非常复杂的运动，船舶横摇运动是考虑得最多的船舶运动。 为实施对船舶运动姿态得控制，本文推导了利用舵、鳍进行横摇控制的数学模型，并作了合理的简化，然后利用STF切片法，计算得到数学模型中的各水动力系数。 为了对各种非线性控制方案的控制效果进行评估，以及对船舶在风浪中的耐波性能进行预报，本文在充分利用成熟的切片理论的基础上，提出了考虑横摇运动中的非线性阻尼和非线性复原力矩项的舰船运动仿真模型，通过高海情中水池船模试验验证，表明该模型的横摇运动预报精度优于传统的频域预报方法。 通过仿真研究，并结合阀控液压舵机系统的特点，本文研究了船舶横摇运动几种控制方法，包括定常线性二次型最优控制，单输入定常离散快速控制，混合逻辑动态控制以及自适应广义预测控制，并进行了仿真计算。通过对控制性能的比较，本文确定了以广义预测控制作为舵减横摇水池船模试验的控制方案，并对广义预测控制的性能进行了分析。 为验证横摇运动控制效果，本文进行了水池船模试验。船模试验结果表明：利用本文的控制方案在减少舵机动作次数的同时，获得了较好的横摇减摇效果，为舵减横摇技术的工程应用实施提供了切实可行的控制方案。 在基本完成了船舶横摇运动控制后，在本文的最后提出了利用高效襟翼斜舵同时实现纵、横摇运动控制技术，并进行了初步仿真探讨，仿真结果表明：采用该方式进行船舶纵、横摇运动姿态的控制是有效、可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究课题的目的和意义
• 1.2 国内外相关情况
• 1.3 本文的工作
• 第2章 船舶横向运动建模
• 2.1 坐标系定义
• 2.2 船舶六自由度运动
• 2.3 船舶横向运动控制建模
• 2.3.1 船舶横向运动分析
• 2.3.2 舵和鳍驱动系统的动力学方程
• 2.4 船舶舵减横摇控制模型的进一步简化
• 2.5 本章小结
• 第3章 水面舰船耐波性方程水动力系数计算
• 3.1 概述
• 3.2 规则波中运动方程
• 3.2.1 运动方程的一般表达式
• 3.2.2 流体动力系数及扰动力和力矩
• 3.3 船舶横向运动的修正
• 3.4 不规则波中船舶运动的统计预报
• 3.5 算例
• 3.6 本章小结
• 第4章 船舶非线性横摇运动时域仿真
• 4.1 船舶横摇运动的频域仿真
• 4.2 船舶横摇运动时域模型
• 4.2.1 船舶横摇运动时域模型简化
• 4.2.2 波浪扰动力/矩模型
• 4.3 传递函数拟合
• 4.4 海浪模拟
• 4.4.1 海浪概念
• 4.4.2 海浪谱分解
• 4.4.3 线性波浪叠加法
• 4.4.4 线性过滤法
• 4.5 船舶横摇运动时域仿真模型
• 4.6 船舶非线性横摇阻尼
• 4.7 船舶非线性横摇复原力矩
• 4.8 仿真结果分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 船舶横向运动控制研究
• 5.1 定常线性二次型最优控制
• 5.1.1 定常离散系统无约束 LQG控制
• 5.1.2 预测控制
• 5.2 快速控制
• 5.2.1 单输入定常离散系统无约束快速控制
• 5.2.2 Bang-Bang控制
• 5.3 混合逻辑动态控制
• 5.3.1 逻辑关系转换为线性不等式约束条件
• 5.3.2 混合逻辑动态控制模型的建立
• 5.4 初步仿真计算
• 5.5 自适应广义预测控制
• 5.5.1 广义预测及其特点
• 5.5.2 预测模型
• 5.5.3 滚动优化
• 5.5.4 广义预测控制的性能分析
• 5.5.5 广义预测控制的自适应算法
• 5.5.6 仿真计算
• 5.6 本章小结
• 第六章 水池船模试验验证
• 6.1 相似性准则
• 6.1.1 几何相似
• 6.1.2 动力相似
• 6.2 试验内容
• 6.3 试验结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 斜舵运动控制初步探讨
• 7.1 概述
• 7.2 斜舵减摇原理
• 7.3 垂向仿真模型处理
• 7.4 斜舵运动控制仿真
• 7.5 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
• 个人简历
• 附录 A 试验模型及设备安装