高海情下船舶减摇鳍智能控制系统研究

摘要

减摇鳍是船舶主动减横摇的特种装置。高海情下，船舶横摇运动剧烈导致系统的非线性严重，运用实船海试研究减摇鳍系统的性能，存在减摇鳍损坏和船舶倾覆的可能，是高成本、高危险的。基于此，本文通过计算机仿真，复现高海情下船舶的横摇非线性运行工况，解决无法采用实船海试的矛盾。同时分析存在的问题，尝试运用智能方法对控制器进行改进。对鳍/翼鳍的结构和性能进行研究，并代替单体鳍进行对比仿真研究。 首先，根据减摇鳍电液伺服系统的组成，分析逐个环节的结构以及非线性因素，建立非线性模型。建立船舶横摇非线性模型和单体鳍的水动力系数模型。对鳍/翼鳍水动力系数图谱进行数据平滑，采用最小二乘法对回归方程进行拟合，建立鳍/翼鳍水动力系数计算模型。研究随机海浪仿真方法，建立船舶减摇鳍系统非线性仿真模型。 其次，设计GA—FC控制器改善PID控制器适应性差的问题。分析仿真精度不高的原因，提出变期望精度控制的思想，遵循结构简单，易于工程实现原则，设计了GA—FC PID复合控制器。 然后，提出从鳍片自身结构方面改进减摇性能的方法。运用鳍/翼鳍代替单体鳍以便产生更大的横摇扶正力矩。 最后，在多种海情不同遭遇浪向角下进行仿真，给出了3种控制方式，2种鳍的仿真曲线和统计结果，并进行对比研究。结果表明，GA—FC PID复合控制器具有更好的控制精度和鲁棒性。鳍/翼鳍减摇鳍的减摇效果是单体鳍减摇鳍减摇效果的1.2～1.5倍，是提高船舶减横摇效果的有效方式。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1论文的背景及意义

1.2减摇鳍国内外发展现状

1.3遗传算法

1.4模糊控制

1.4.1模糊控制理论的发展和现状

1.4.2模糊遗传算法优化控制理论

1.5本文研究的主要内容

第2章船舶横摇减摇系统数学建模

2.1船舶横摇运动数学建模

2.1.1船舶非线性横摇运动数学建模

2.1.2船舶线性横摇运动数学建模

2.2单体鳍减摇鳍水动力系数模型

2.3鳍／翼鳍减摇鳍水动力系数建模

2.3.1鳍／翼鳍减摇鳍水动力系数

2.3.2最小二乘法原理

2.3.3鳍／翼鳍减摇鳍升力系数数学建模

2.4减摇鳍系统附属环节建模

2.5随机海浪仿真

2.6本章小结

第3章减摇鳍电液伺服系统非线性建模

3.1减摇鳍电液伺服系统结构

3.2减摇鳍电液伺服系统分析

3.2.1伺服箱分析

3.2.2液压控制装置分析

3.2.3鳍机械组合体分析

3.3减摇鳍电液伺服闭环系统

3.4减摇鳍电液伺服系统非线性因素分析

3.4.1减摇鳍电液伺服系统作用过程

3.4.2高海情下减摇鳍电液伺服系统非线性因素分析

3.5减摇鳍电液伺服系统非线性建模

3.6减摇鳍系统仿真结构图

3.7本章小结

第4章高海情下船舶减摇鳍智能控制系统研究

4.1船舶减摇鳍系统

4.2模糊控制器设计

4.2.1模糊控制理论基础

4.2.2模糊控制器设计

4.3 GA-FC优化控制器设计

4.3.1遗传算法的基本理论

4.3.2遗传算法的操作

4.3.3遗传算法优化模糊控制器参数

4.3.4 GA-FC优化控制器设计

4.4 GA-FC PID复合控制器设计

4.4.1 GA-FC PID复合控制器结构

4.4.2 GA-FC PID复合控制算法

4.4.3 GA-FC PID复合控制器设计

4.5本章小结

第5章高海情下减摇鳍智能控制系统仿真

5.1减摇鳍PID控制系统仿真

5.2减摇鳍GA-FC优化控制系统仿真

5.3减摇鳍GA-FC PID复合控制系统仿真

5.4鳍／翼鳍减摇鳍GA-FC PID复合控制系统仿真

5.5仿真结果统计及分析

5.6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