高海情下船舶减摇鳍智能控制系统研究

论文摘要

减摇鳍是船舶主动减横摇的特种装置。高海情下,船舶横摇运动剧烈导致系统的非线性严重,运用实船海试研究减摇鳍系统的性能,存在减摇鳍损坏和船舶倾覆的可能,是高成本、高危险的。基于此,本文通过计算机仿真,复现高海情下船舶的横摇非线性运行工况,解决无法采用实船海试的矛盾。同时分析存在的问题,尝试运用智能方法对控制器进行改进。对鳍/翼鳍的结构和性能进行研究,并代替单体鳍进行对比仿真研究。首先,根据减摇鳍电液伺服系统的组成,分析逐个环节的结构以及非线性因素,建立非线性模型。建立船舶横摇非线性模型和单体鳍的水动力系数模型。对鳍/翼鳍水动力系数图谱进行数据平滑,采用最小二乘法对回归方程进行拟合,建立鳍/翼鳍水动力系数计算模型。研究随机海浪仿真方法,建立船舶减摇鳍系统非线性仿真模型。其次,设计GA-FC控制器改善PID控制器适应性差的问题。分析仿真精度不高的原因,提出变期望精度控制的思想,遵循结构简单,易于工程实现原则,设计了GA-FC PID复合控制器。然后,提出从鳍片自身结构方面改进减摇性能的方法。运用鳍/翼鳍代替单体鳍以便产生更大的横摇扶正力矩。最后,在多种海情不同遭遇浪向角下进行仿真,给出了3种控制方式,2种鳍的仿真曲线和统计结果,并进行对比研究。结果表明,GA-FC PID复合控制器具有更好的控制精度和鲁棒性。鳍/翼鳍减摇鳍的减摇效果是单体鳍减摇鳍减摇效果的1.2～1.5倍,是提高船舶减横摇效果的有效方式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的背景及意义
• 1.2 减摇鳍国内外发展现状
• 1.3 遗传算法
• 1.4 模糊控制
• 1.4.1 模糊控制理论的发展和现状
• 1.4.2 模糊遗传算法优化控制理论
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 船舶横摇减摇系统数学建模
• 2.1 船舶横摇运动数学建模
• 2.1.1 船舶非线性横摇运动数学建模
• 2.1.2 船舶线性横摇运动数学建模
• 2.2 单体鳍减摇鳍水动力系数模型
• 2.3 鳍/翼鳍减摇鳍水动力系数建模
• 2.3.1 鳍/翼鳍减摇鳍水动力系数
• 2.3.2 最小二乘法原理
• 2.3.3 鳍/翼鳍减摇鳍升力系数数学建模
• 2.4 减摇鳍系统附属环节建模
• 2.5 随机海浪仿真
• 2.6 本章小结
• 第3章 减摇鳍电液伺服系统非线性建模
• 3.1 减摇鳍电液伺服系统结构
• 3.2 减摇鳍电液伺服系统分析
• 3.2.1 伺服箱分析
• 3.2.2 液压控制装置分析
• 3.2.3 鳍机械组合体分析
• 3.3 减摇鳍电液伺服闭环系统
• 3.4 减摇鳍电液伺服系统非线性因素分析
• 3.4.1 减摇鳍电液伺服系统作用过程
• 3.4.2 高海情下减摇鳍电液伺服系统非线性因素分析
• 3.5 减摇鳍电液伺服系统非线性建模
• 3.6 减摇鳍系统仿真结构图
• 3.7 本章小结
• 第4章 高海情下船舶减摇鳍智能控制系统研究
• 4.1 船舶减摇鳍系统
• 4.2 模糊控制器设计
• 4.2.1 模糊控制理论基础
• 4.2.2 模糊控制器设计
• 4.3 GA-FC优化控制器设计
• 4.3.1 遗传算法的基本理论
• 4.3.2 遗传算法的操作
• 4.3.3 遗传算法优化模糊控制器参数
• 4.3.4 GA-FC优化控制器设计
• 4.4 GA-FC PID复合控制器设计
• 4.4.1 GA-FC PID复合控制器结构
• 4.4.2 GA-FC PID复合控制算法
• 4.4.3 GA-FC PID复合控制器设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 高海情下减摇鳍智能控制系统仿真
• 5.1 减摇鳍PID控制系统仿真
• 5.2 减摇鳍GA-FC优化控制系统仿真
• 5.3 减摇鳍GA-FC PID复合控制系统仿真
• 5.4 鳍/翼鳍减摇鳍GA-FC PID复合控制系统仿真
• 5.5 仿真结果统计及分析
• 5.6 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