基于H2的高速船舶垂向运动控制研究

摘要

随着科技发展，船舶的设计制造技术也取得了长足进步，船舶的航速有了很大的提升，同时出现了很多新型船舶，如双体船、水翼艇、表面效应船等。在船舶航速提高的同时，船受到海浪扰动作用对船舶垂向运动的影响也会增加。由于船舶垂向运动特别是垂荡、纵摇会对海浪中航行的船舶造成很大危害，因此在船舶横摇问题得到解决后，垂向运动就成为船舶摇荡中最需解决的问题。同时船摇荡运动也会伴随产生横向、纵向的摇荡加速度运动，从而增加晕船发生率，使得船上人员的舒适度大大降低，由于快速载客船舶在当今的航海交通占据重要地位，因此这将如何提高乘客舒适度的问题放到了首位，对此问题设计专门的控制器也变得尤为迫切。针对以上这些问题，本篇论文探讨利用T型翼和艉压浪板的综合控制系统来对船舶垂向运动进行控制。
　　本文主要考虑到晕船对船舶乘坐舒适性的影响，尝试以提高船上乘客的舒适性为控制目标进行垂向运动控制。本文分析并建立了船舶的垂向运动模型和海浪模型，分析了晕船发生的诱因，利用晕船发生率的数学模型，将船舶最坏垂向加速（WVA）作为系统的指标函数，进行控制器的设计。通过对船舶控制过程模型和执行机构的分析，建立了系统模型。由于积分环节对于船舶垂向运动的作用不明显，因此本文主要以多变量 PD控制器对垂向运动进行控制。并使用系统闭环传递函数的 H2范数作为指标函数，建立了系统状态空间模型，由于忽略了系统非线性模块，建立的状态空间模型并不准确，因此提出了一种基于描述函数的方差增益频域分析方法，由此方法证明了船舶控制系统的非线性程度较高不能忽略其中的非线性特性。根据这一结论，本文以系统仿真模型直接求出最坏垂向加速的 H2范数作为指标，控制器参数的计算首先通过遗传算法来实现，并在遗传算法的基础上利用非线性优化算法对参数进行二次优化，并对最后得到的控制器进行实验仿真，结果表明本论文设计的控制器对船的垂荡、纵摇和晕船发生率具有理想的控制效果。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 船舶控制技术发展与研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 船舶运动模型和海浪分析

2.1 船舶运动坐标系的建立

2.2 船舶垂向运动数学建模

2.3 海浪分析与仿真

2.4 本章小结

第3章 高速船舶垂向运动控制指标分析

3.1 船舶控制系统模型

3.2 控制器设计分析

3.3 基于H2的高速船舶垂向运动控制分析

3.4 本章小结

第4章 船舶控制系统频域分析

4.1 描述函数法定义

4.2 方差增益频域分析法的具体过程

4.3 结果分析

4.4 本章小结

第5章 基于H2的高速船舶垂向运动控制器设计

5.1 基于H2的控制器指标准确性分析

5.2 遗传算法简介

5.3 基于遗传算法的控制器参数计算过程

5.4 基于非线性优化算法的控制器参数优化

5.5 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