突变控制机制及其在船舶非线性横摇运动中的应用研究

摘要

人类对客观世界认知和改造的历史过程，是一个由低级到高级，由简单到复杂，由表及里的纵深发展过程，在控制领域中更是如此。由于人们对实际生产过程的精度要求越来越高以及受控对象的不断复杂化，原有的线性控制理论已不能满足需要，因此相继诞生了一系列的非线性控制方法，如变结构控制、自适应控制、鲁棒控制等。
　　 突变控制是非线性控制的一种，其主要目的在于控制系统在平稳输入情况下产生的输出跳变问题。本文将致力于探索如何使突变理论同控制技术相结合，形成一套突变控制的方法，并试探性地应用到船舶横摇运动及稳定性控制中去，主要成果如下：
　　 首先，对势函数具有多输入单输出形式的非线性系统，根据其输入变量的数目不同，分别提出了折叠突变建模、尖点突变建模、燕尾突变建模和蝴蝶突变建模的通用方法，并根据各个系统不同的突变特点，针对性的设计了线性控制器、非线性控制器与基于冲失滤波器辅助反馈的控制器对突变进行控制。
　　 其次，将折叠突变建模的通用方法引入到船舶非线性横摇运动中，在定性地得出船舶非线性横摇运动具有突变特性后，采用非线性振动分析中的多尺度法对横摇方程加以解析，得出了横摇运动的幅频响应方程，并以数值仿真验证了横摇突变特性的存在。最后分别用线性控制器和非线性控制器对船舶非线性横摇运动的突变特性进行了控制，仿真结果表明这两种控制方法效果明显，能有效抑制船舶横摇运动时突变现象的发生。
　　 然后，将尖点突变建模的通用方法引入到船舶无阻尼静水横摇运动中，详细地讨论了船舶倾覆的过程，并在对其突变流形解析的基础上得到了突变发生的临界条件。阐明了恢复力系数与横摇自然频率的改变是船舶无阻尼静水横摇运动突变发生的原因，并分别设计了非线性控制器和冲失滤波器进行突变控制，经仿真证明控制器效果明显。
　　 最后，将蝴蝶突变建模的通用方法引入到船舶在长峰波海浪中的参数横摇运动中，在用突变模型定性地证明了其突变特性之后，采用多尺度法对横摇方程进行解析，定量地得出了船舶参数横摇的突变特性，并设计了线性反馈控制器，在讨论了控制参数选取范围的情况下，对横摇运动进行突变控制，仿真结果表明控制器简单有效。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景、目的和意义

1.2 突变理论在国内外的研究状况及应用现状分析

1.3 突变控制理论目前的研究动态与应用

1.4 船舶非线性横摇的研究方法与国内外的研究动态

1.5 突变控制用于船舶横摇运动的意义

1.6 本文的主要工作

第2章 突变、分岔与突变控制

2.1 数学基础

2.2 突变理论简介

2.3 分岔理论简介

2.3.1 分岔的基本概念

2.3.2 四种基本的余一维分岔

2.4 突变与分岔的关系及本文采用的突变控制方法

2.4.1 突变与分岔的关系

2.4.2 突变控制的定义

2.4.3 本文采用的突变控制方法

2.5 本章小结

第3章 非线性系统突变建模与控制算法研究

3.1 非线性系统突变模型的建立

3.1.1 折叠型突变模型的建立及突变分析

3.1.2 尖点型突变模型的建立及突变分析

3.1.3 燕尾型突变模型的建立及突变分析

3.1.4 蝴蝶型突变模型的建立及突变分析

3.2 基于分岔理论的突变分析

3.3 基于阻尼调节的线性反馈突变控制法

3.4 基于幅值调节的非线性反馈突变控制法

3.5 基于冲失滤波器反馈的突变控制法

3.5.1 冲失滤波器简介

3.5.2 Van de Pol方程极限环的存在性

3.5.3 冲失滤波器反馈突变控制

3.6 本章小结

第4章 船舶非线性横摇折叠突变控制研究

4.1 船舶非线性横摇折叠突变模型的建立

4.2 基于分岔理论的突变分析

4.3 基于阻尼调节的线性反馈突变控制

4.4 基于幅值调节的非线性反馈突变控制

4.5 本章小结

第5章 船舶静水无阻尼非线性横摇尖点突变控制研究

5.1 船舶静水无阻尼横摇尖点突变模型与分析

5.1.1 尖点突变模型的建立

5.1.2 突变过程的讨论及模型的求解

5.1.3 突变模型临界值分析

5.2 基于非线性反馈的突变控制

5.2.1 受控系统的多尺度分析

5.2.2 控制参数k1对系统的影响

5.2.3 控制参数k2对系统的影响

5.2.4 数值仿真

5.3 基于冲失滤波器辅助反馈的突变控制

5.4 本章小结

第6章 船舶在长峰波海浪中参数横摇蝴蝶突变控制研究

6.1 船舶在长峰波海浪中的参数横摇运动方程

6.2 蝴蝶突变模型的建立

6.3 HOPF分岔引发的突变

6.3.1 横摇运动多尺度分析

6.3.2 仿真验证

6.4 基于线性反馈的突变控制

6.4.1 受控系统多尺度及分析

6.4.2 控制器参数的讨论

6.4.3 仿真验证

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢