SWATH船稳定鳍方案的优化及纵向运动控制研究

摘要

SWATH船是一种具有优良耐波性的新型高性能船舶。与常规的单体船相比，它具有自然运动周期长，运动幅度小，波浪中失速少，砰击、上浪及乘员的晕船概率低等优点。由于其水线面积较小，船的纵倾恢复力矩相应减少，随着速度的增加，作用在下潜体上的MUNK力矩会以速度平方的速度迅速增加，容易发生纵向失稳。目前，解决这一问题的主要方式是在下潜体内侧安装稳定鳍。因此，稳定鳍尺寸和安装位置的确定就成为SWATH船建造过程中的一个重要环节。 稳定鳍不但是平衡水动力纵倾力矩保证SWATH船纵向运动稳定的一个重要工具，而且它对SWATH船的机动性、波浪中的运动性能以及阻力特性等方面都有较大的影响。为了获得一组较好的稳定鳍方案，就必须在稳定鳍方案的设计过程中充分考虑上述各因素的影响。为此本文在详细分析了波浪中SWATH船的纵向运动性能和稳定鳍尺寸、安装位置等参数对SWATH船纵向运动稳定性和机动性影响的基础上建立了SWATH船稳定鳍方案的多目标优化数学模型，并利用多目标遗传算法对其进行了优化求解。然后，进一步建立了稳定鳍方案的多指标评价体系，并利用多级模糊综合评价法对其进行了评价，以从优化得到的Pareto最优解中确定出最满意的稳定鳍方案。 虽然安装设计合理稳定鳍的SWATH船本身在波浪中具有较好的运动性能，但是对稳定鳍采取一定的控制措施以进一步改善SWATH船的运动性能也是必要的。考虑到实际SWATH船纵向运动控制系统所具有的不确定性，本文采用鲁棒控制理论对其进行了控制研究。并结合线性矩阵不等式理论和概率鲁棒性能分析思想，提出了一种针对参数不确定系统的新控制器设计方法。此方法不但能充分考虑系统的鲁棒性能要求而且能将闭环系统的极点配置到指定区域以改善系统的动态性能，而且此方法还具有设计过程简单、保守性小以及受不确定参数进入系统的方式影响较小等优点。最后，本文针对SWATH船的参数不确定模型和混合不确定模型，采用概率鲁棒控制方法和μ综合控制方法分别对其进行控制研究，并取得了较好的控制效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的来源、目的和意义

1.2 SWATH船的结构及性能特点

1.2.1 SWATH船的结构

1.2.2 SWATH船的性能特点

1.3国内外的研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4研究内容和工作

第2章SWATH船的纵向运动数学模型

2.1波浪中SWATH船的纵向运动数学模型

2.2水动力系数的理论计算

2.2.1静态恢复力系数的计算

2.2.2势流运动假设下水动力系数的计算

2.2.3粘性阻尼系数的计算

2.2.4与鳍相关部分水动力系数的计算

2.3 SWATH船的纵向运动响应及统计值计算

2.4长峰波随机海浪中扰动力和力矩的计算

2.5 SWATH船的纵向运动仿真

2.6本章小结

第3章SWATH船纵向运动的稳定性和机动性分析

3.1静水中SWATH船的纵向运动数学模型

3.2 SWATH船纵向运动的稳定性判据

3.3 SWATH船纵向运动的三个特征参数

3.4航速对SWATH船纵向运动稳定性的影响

3.4.1临界稳定航速

3.4.2航速变化对纵向运动稳定性的影响

3.5稳定鳍对SWATH船纵向运动稳定性的影响

3.5.1稳定鳍纵向位置的影响

3.5.2稳定鳍尺度变化的影响

3.6 SWATH船纵向运动的机动性分析

3.6.1纵向强迫运动方程及其传递函数

3.6.2纵向运动的阶跃响应

3.7航速对SWATH船纵向运动机动性的影响

3.8稳定鳍对SWATH船纵向运动机动性的影响

3.9水动力纵倾力矩的计算

3.9.1势流压力形成的水动力纵倾力矩计算

3.9.2粘性引起的水动力纵倾力矩计算

3.10本章小结

第4章SWATH船稳定鳍方案的确定

4.1 SWATH船稳定鳍方案的多目标优化

4.1.1 SWATH船稳定鳍方案的多目标优化模型

4.1.2带约束的Pareto多目标遗传算法

4.1.3 SWATH船稳定鳍方案的优化步骤

4.2 SWATH船稳定鳍方案的多目标决策

4.2.1 SWATH船稳定鳍方案的评价指标体系

4.2.2稳定鳍方案的多级模糊综合评价

4.3仿真研究

4.4本章小结

第5章SWATH船具有区域极点约束的H∞概率鲁棒控制研究

5.1系统的H∞性能分析

5.2 D稳定性分析

5.3概率鲁棒性能分析

5.4具有区域极点约束的H∞概率鲁棒控制器设计

5.5 SWATH船纵向运动控制系统参数不确定模型

5.6 SWATH船具有区域极点约束的H∞概率鲁棒控制仿真

5.7本章小结

第6章SWATH船纵向运动的μ综合控制研究

6.1问题描述

6.2μ的定义及意义

6.3μ的计算

6.4μ控制器的D-K递推设计

6.5 SWATH船混合不确定模型的建立

6.6 SWATH船μ综合控制器设计

6.7仿真分析

6.8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

附录