舰船航向-舵/翼舵智能协调控制研究

摘要

舵/翼舵协调控制是改善船舶操纵性能行之有效的方法，目前工程中使用的舵和翼舵之间依靠导杆或齿轮传动，转角比为确定关系，因此未能充分发挥舵/翼舵的效能。本文提出将舵和翼舵作为两个相互独立的面进行控制设计的构想，并设计了船舶航向-舵/翼舵智能协调控制系统。 首先，建立舵/翼舵水动力性能数学模型。对襟翼舵水动力系数图谱进行数据平滑，并根据平滑后的曲线的特征确定回归方程，采用最小二乘法对回归方程的系数进行拟合，得到襟翼舵水动力系数的计算模型，最后对该计算模型进行显著性检验，以确定其是否可以用于工程计算。 其次，对船舶航向-舵/翼舵控制系统建模。基于动量定理、动量矩定理建立了船舶艏摇、横摇、横荡三自由度的运动方程，分析了船体所受外力(及力矩)的情况，主要包括流体动力、舵控制力及海浪、海风、海流的干扰力(及力矩)，分别给出上述诸力及其产生力矩的计算模型。重点研究了系统驱动能量建模，为船舶航向-舵/翼舵智能协调控制系统的设计奠定了基础。 然后，设计船舶航向-舵/翼舵智能协调控制系统。由于对应舵/翼舵上的一个扶正力矩值，有多种不同的舵角/翼舵角组合与之对应，本文研究给出舵角/翼舵角智能优化分配规则。设计了船舶航向模糊控制器，该过程主要包括定义模糊控制器的输入输出变量、输入输出变量的模糊化、模糊控制规则设计、模糊推理以及反模糊化等。 最后，对所设计的控制系统进行仿真检验。对多种海情、不同遭遇角下的航行过程进行仿真，给出航向角、舵角、翼舵角的曲线以及统计值，并与普通舵和转角比确定的襟翼舵在PID控制和模糊控制方式下的情况进行比较，结果表明，该系统航向控制精度高，鲁棒性好，节能效果显著。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景及意义

1.2襟翼舵的发展及特点

1.3遗传算法

1.3.1遗传算法的产生和发展

1.3.2遗传算法的特点

1.4模糊控制

1.4.1模糊控制的产生和发展

1.4.2模糊控制理论的研究方向

1.5本文所做的工作

第2章舵/翼舵水动力性能数学建模

2.1舵/翼舵的基本参数

2.2舵/翼舵水动力系数的定义

2.3舵/翼舵水动力系数数学模型的建立

2.3.1水动力系数数据平滑

2.3.2水动力系数回归模型

2.3.3模型参数的最小二乘估计

2.3.4水动力系数回归方程的显著性检验

2.4本章小结

第3章船舶航向-舵/翼舵控制系统建模

3.1船舶运动的描述和数学模型的建立

3.1.1描述船舶运动的两种坐标系

3.1.2船舶运动数学模型

3.1.3船舶受力分析

3.1.4船舶运动模型参数的计算

3.2舵/翼舵对船舶的作用力及力矩的计算

3.3干扰仿真研究

3.3.1海浪干扰

3.3.2海风干扰

3.3.3海流干扰

3.4系统驱动能量建模研究

3.5本章小结

第4章船舶航向-舵/翼舵智能协调控制

4.1舵角/翼舵角智能优化分配规则研究

4.1.1舵角/翼舵角分配规则

4.1.2舵角/翼舵角分配规则的遗传算法实现

4.2船舶航向模糊控制器设计

4.2.1模糊数学基础

4.2.2模糊控制器的基本原理

4.2.3船舶航向模糊控制器设计

4.3本章小结

第5章系统仿真

5.1仿真结果及分析

5.2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