渔政船调距桨特性分析及控制技术研究

摘要

船舶推进系统是控制船舶运动的关键，系统性能的优劣直接影响船舶的航速、稳定性和机动性。可调螺距螺旋桨，简称调距桨，它可以根据船舶工况的变化从而调节螺旋桨的螺距，是船舶重要推进装置之一。调距桨推进系统通过联合控制方式，能够同时改变螺旋桨螺距和主机转速，进行机桨优化匹配，可以更灵活的调节航速。因此，它拥有很强的航行环境适应能力、较高的机动性和操纵性、较好的综合经济性等优点。调距桨推进系统作为船舶智能化的重要一环，主要体现在以计算机、自动化、电力电子等科学为基础的智能控制技术广泛应用于船舶推进，以精准的自动操控取代以往的手动操控，很大程度上提升船舶控制的自动化水平。在船舶实际航行过程中，调距桨各种航行参数总是随着船舶的运行状态和环境的变化而发生改变。由于船舶推进运动是一个时变、非线性和有干扰的过程，而且调距桨推进系统需要控制螺距和转速两个控制量，也使得这个系统极其复杂，引入新的研究工具和高效的研究方法显得尤其重要。
　　本文以300吨级渔政船为研究对象，搭建调距桨推进仿真系统，利用智能控制技术的优越性，尝试将智能算法用于船舶推进运动的控制，旨在优化推进系统的综合控制性能。文章的主要内容包括船-机-桨特性的分析、建立调距桨推进系统模型、优化控制器性能以及仿真验证系统的控制效果。
　　首先，介绍了调距桨推进装置各个组成部分及其控制方式，并对船舶的阻力特性，柴油机的外特性，调距桨的推进特性以及船-机-桨三者彼此之间的作用关系进行了深入的分析。
　　其次，根据渔政船调距桨推进系统的内部结构，建立各个组成部分的数学模型，包括柴油机子系统模型、船桨子系统模型、螺距控制子系统模型以及外界干扰模型等。使用Matlab软件平台的Simulink工具箱建立仿真模型，并将各部分拼接起来构成完整的推进系统仿真模型。
　　最后，设计了基于RBF神经网络的PID螺距控制器，并采用粒子群算法对模糊航速控制器进行优化，将其运用在先前建立的推进系统中。仿真验证设计的RBF-PID螺距控制器有着比传统PID螺距控制器更好的控制效果。相应地，对整个推进系统进行仿真，验证优化后模糊航速控制器在抗扰性和快速性方面均有所改善，能够有效提高渔政船的操纵性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2特种螺旋桨的介绍

1．3调距桨推进系统的特点

1．4国内外研究现状

1．4．1调距桨装置研究现状

1．4．2调距桨控制技术研究现状

1．5论文的主要工作

第2章调距桨推进装置及特性分析

2．1调距桨推进装置概述

2．1．1调距桨工作特性

2．1．2调距桨推进装置组成部分

2．1．3调距桨推进装置主要配置方式

2．1．4调距桨推进系统主要控制方式

2．2船-机-桨之间的作用关系

2．3船-机-桨的基本特性

2．3．1船舶的阻力特性

2．3．2柴油机的外特性

2．3．3调距桨的推进特性

2．4本章小结

第3章调距桨推进系统建模

3．1调距桨推进系统概述

3．1．1柴油机转速控制

3．1．2调距桨螺距控制

3．1．3仿真算例参数

3．2柴油机子系统模型

3．2．1调速器模型

3．2．2柴油机模型

3．2．3减速器模型

3．3船桨子系统模型

3．4螺距控制子系统模型

3．4．1电液比例阀模型

3．4．2液压执行机构模型

3．5外界干扰模型

3．6调距桨推进系统模型

3．7本章小结

第4章调距桨螺距控制器的优化设计

4．1经典PID控制

4．2螺距控制器的优化

4．2．1 RBF神经网络

4．2．2参数调整算法

4．2．3 RBF-PID控制器的设计

4．2．4 RBF-PID控制器算法实现

4．3螺距仿真及结果分析

4．3．1螺距阶跃实验

4．3．2螺距扰动实验

4．4本章小结

第5章调距桨航速控制器的优化设计

5．1航速控制器的设计

5．1．1模糊控制原理

5．1．2模糊控制器结构

5．1．3航速控制器的实现

5．2航速控制器的优化

5．2．1粒子群算法原理

5．2．2粒子群优化模糊控制器的设计

5．3航速仿真及结果分析

5．3．1航速阶跃实验

5．3．2航速动态实验

5．3．3航速扰动实验

5．4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