船舶鳍翼鳍减横摇抗饱和智能矢量控制技术研究.doc

船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和智能矢量控制技术研究船舶减摇鳍进行减横摇控制基本原理是利用鳍面转动产生的水动力（矩）来减小船舶的摇摆。而鳍/翼鳍是在普通鳍叶的后缘开襟形成一个可动面的翼鳍,从而构成的两个相对独立控制的矢量控制面（鳍/翼鳍）。在鳍叶几何形状和剖面面积相同条件下,后缘带有翼鳍的矢量翼面所能提供的水动力（矩）将大大增加。但是翼面的增加也带来了角度分配问题以及执行机构饱和问题。因此如何抑制鳍执行机构饱和带来的性能下降问题、如何合理的进行鳍/翼鳍矢量翼面的分配成为了研究的难点。而且随着节能减排以及高性能船舶的兴起,如何提高船舶减横摇控制效果,降低系统能耗成为船舶控制工程界的一个值得关注课题,因此,本论文开展船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和智能矢量控制的研究具有重要理论意义和广阔工程应用前景。本文主要研究内容有:首先,给出了船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和智能矢量控制系统实现机理与技术方案,指出的本论文的研究重点,建立了鳍/翼鳍阻力、升力系数及作用力矩模型,修正了驱动能量方程。给出了船舶鳍/翼鳍减横摇控制系统的运动建模、鳍/翼鳍执行机构饱和约束建模以及海浪干扰分析。其次,对船舶鳍/翼鳍减横摇鲁棒控制器设计方法进行研究,针对船舶航行时的模型不确定性和干扰的随机性,要求船舶减摇控制系统具有较强的鲁棒性能以及横摇的干扰抑制性能。针对船舶鳍/翼鳍减横摇线性模型重点分析系统不确定性,给出线性不确定系统的鲁棒H_∞动态输出反馈控制实现方法;同时针对船舶鳍/翼鳍减横摇系统非线性模型,采用“反馈线性化+鲁棒H_∞动态输出反控制”的实现方法。给出了系统反馈线性化实现以及其鲁棒动态输出反馈控制设计实现。以上研究为抗饱和控制技术打下基础。第三,针对船舶减摇过程中鳍执行机构饱和造成系统减摇性能下降的问题。提出采用抗饱和补偿控制方法进行船舶减横摇抗饱和控制研究。以无约束鲁棒H_∞控制器设计为基础,主要针对以下三类问题进行了分析:（1）针对系统不确定性和干扰情况下的鳍/翼鳍减横摇线性系统动态抗饱和控制进行了研究,给出系统满足L₂性能指标的稳定性条件,并给出了将其转化为线性矩阵不等式的可行性条件;（2）考虑鳍执行器动态特性,给出针对减摇鳍幅度和速率饱和工况下的动态抗饱和控制器设计方法。通过状态变量增广推导了系统的转化模型,并给出了保证系统稳定及L₂性能指标的充分条件,同样的给出了将其转化为LMI求解的可行性条件。（3）针对一类可反馈线性化的非线性系统的抗饱和控制进行了研究,考虑系统干扰的存在,要求系统具有鲁棒稳定性及满足L₂增益的干扰抑制能力,给出保证系统有界稳定及性能指标的条件。对以上三种情况下的鳍/翼鳍减横摇系统,以翼鳍不转动时为特例（即看做为整体鳍）,进行了控制器设计和仿真分析,通过仿真结果证明所设计的控制能够在保证系统代数环良定基础上,保证系统鲁棒性和稳定性,同时相较于其他控制工况能够取得更优的性能。接着,进行了船舶鳍/翼鳍角度智能矢量分配控制方法及系统的综合仿真研究,针对船舶鳍/翼鳍多操纵面的矢量分配问题,基于鳍/翼鳍的矢量控制机理,提出采用船舶鳍/翼鳍减横摇系统“驱动能量最小+阻升比最小”指标作为优化目标函数。在此基础上构建了相应的优化分配规则,并作出了相应的改进。然后分别提出采用改进的模拟退火粒子群算法（MSA-PSO）的单目标鳍角/翼鳍角优化,和基于改进多目标粒子群算法的鳍角/翼鳍角矢量优化分配。并给出了两种算法的实现步骤及改进策略。对于单目标MSA-PSO鳍/翼鳍角度优化分配,引入拉格朗日乘子法处理等式约束,并且引入收缩因子更新粒子速度,并采用速度松弛迭代策略对算法进行了改进,提高了全局和局部探索能力。对于改进多目标粒子群算法的鳍/翼鳍角度矢量优化分配,采用多目标处理法处理非线性等式约束,同时,引入对外部种群的维护、惯性权重的改进以及引入小生境方法的共享机制增加种群的多样性和均匀性。最后给出仿真分析证明智能矢量分配算法以及本文减横摇抗饱和智能矢量控制方法可实现性和有效性。最后给出本文的结论及展望。本论文的研究成果对船舶减横摇控制的实现具有的理论研究意义和工程应用价值,能够在保证控制效果的前提下,更好减小系统的能耗,同时提高了系统的鲁棒性能及干扰抑制以及抗饱和能力,符合了现代船舶控制要求的发展趋势。而且本文的部分研究成果可以应用于其它工业控制领域,因此具有广泛的应用前景。