基于能量优化舵鳍联合减摇系统控制方法研究

摘要

舵鳍联合减摇系统是一种新型的船舶减摇装置，主要用于船舶的横摇减摇和航向控制。随着资源的短缺，如何降低能量消耗将成为舵鳍联合减摇系统一个新的发展趋势。目前对于舵鳍联合减摇系统提出的各种控制方法都尽可能突出系统减摇效果和航向控制精度，而忽略了舵鳍联合减摇系统的能量消耗问题。因此，本文通过深入研究舵鳍联合减摇系统以及能量优化方面的文献资料，建立舵鳍联合减摇系统的性能指标，并利用改进多目标遗传算法优化性能指标。
　　本文主要的研究内容如下：
　　首先，建立舵鳍联合减摇系统四自由度非线性数学模型，并给出作用在船舶上各项受力公式，它们主要包括水动力、螺旋桨、舵和减摇鳍等。然后根据船舶在海上航行的环境，分析船舶运动的环境干扰因素，并建立包括海浪、海流和海风的数学模型。
　　其次，从减摇鳍和舵这两方面分别建立性能指标，通过对减摇鳍横摇角方差、鳍角方差以及鳍角速率和负载能耗三方面的研究，建立鳍的性能指标。对舵性能指标的建立是从克服阻力、偏航引起的附加能耗以及频繁操舵引起的船舶能耗等方面进行研究。综合性能指标通过充分考虑船舶的能量优化、减摇效果以及航向控制精度，建立舵鳍联合减摇系统多目标函数。
　　再次，利用多目标遗传算法和改进多目标遗传算法这两种智能优化算法，从综合性能指标优化角度来自调整PID控制参数。对多目标遗传算法的改进主要是利用云模型的随机性和稳定倾向性，生成交叉概率和变异概率。并对权系数和适应度函数进行改进。
　　最后，利用两种不同的智能算法对适应度值、PID控制器参数和综合性能指标进行仿真。仿真验证了改进多目标遗传算法不仅可以提高收敛的灵活性以及寻优结果，而且可以避免陷入局部最优。通过采用改进多目标遗传算法既能改善船舶减摇效果和航向控制精度，又能使船舶减摇系统能量得到优化。从而将减摇效果、航向控制精度和经济节能有效结合起来，是对舵鳍联合减摇系统研究的创新，具有较高的理论研究价值和实际应用意义。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容和结构安排

第2章 舵鳍联合减摇系统建模

2.1 引言

2.2 船舶四自由度非线性运动模型

2.3 船舶水动力和力矩

2.4 船舶控制力和力矩

2.5 船舶运动环境干扰模型

2.6 本章小结

第3章 舵鳍联合减摇系统能量优化及控制器设计

3.1 引言

3.2 建立减摇鳍性能指标

3.3 建立舵性能指标

3.4 建立舵鳍联合减摇系统能量优化性能指标

3.5 改进多目标遗传算法

3.6 舵鳍联合减摇系统能量优化PID控制器设计

3.7 本章小结

第4章 舵鳍联合减摇系统能量优化仿真分析

4.1 引言

4.2 舵鳍联合减摇系统能量优化PID控制仿真分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢