基于π型舵船舶纵向多变量随机控制方法研究

摘要

船舶减摇是船舶与海洋工程的重要课题之一。从国内外的情况来看，减横摇的技术已经日趋成熟并逐步走向完善，而减纵摇的问题还没有得到很好的解决。如果能够找到有效的减纵摇方法，对于舰载飞机起降、船舶的适居性和航行性及安全性等都是十分有意义的。　　本文采用π型舵作为减纵摇装置。首先，基于切片理论建立了船舶垂荡与纵摇耦合的两自由度船舶纵向运动方程，为船舶减纵摇研究提供了数学模型。其次，利用递推最小二乘法的改进算法对海浪扰动力和扰动力矩进行建模，为利用扩展随机最优控制奠定基础，并且对海浪扰动力和扰动力矩的估计方法进行研究和分析，具有工程实用意义。然后，分别利用经典随机最优控制和扩展随机最优控制对船舶舵减纵摇控制进行研究，其中包括利用经典Kalman滤波和扩展Kalman滤波对船舶纵向运动状态进行估计。最后，将广义预测控制(GPC)引入到船舶舵减纵摇的研究中，探讨了基于状态空间模型的船舶舵减纵摇的广义预测控制算法。本文所有研究工作，都是在Matlab6.1仿真平台上仿真验证的，并给出了仿真验证结果。　　通过理论分析和大量的仿真结果证明，对于舵减纵摇，扩展随机最优控制优于经典随机最优控制，而扩展随机最优控制和广义预测控制都能取得较为满意的控制效果，并且广义预测控制方法计算简便、省时、实用、控制效果好，鲁棒性强。广义预测控制作为一种新型优化控制技术，对模型要求低，在线计算方便、控制综合效果好，将有着广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录、表目录

哈尔滨工程大学学位论文原创性声明

第1章绪论

1.1课题来源、目的和意义

1.2船舶摇荡及减摇研究和发展概述

1.2.1船舶减摇装置

1.2.2舵减摇技术的研究和发展及存在的问题

1.3国内外研究现状

1.4本文的主要工作

第2章船舶纵向运动建模

2.1船舶六自由度运动

2.1.1船舶运动分析的坐标系

2.1.2船舶六自由度运动

2.2切片理论与船舶运动建模

2.2.1船舶运动建模简介

2.2.2切片理论与船舶运动建模概念

2.3船舶纵向运动微分方程建立

2.3.1概述

2.3.2船舶垂荡与纵摇的耦合运动

2.3.3船舶纵向运动微分方程

2.4海浪与海浪谱分解

2.4.1海浪概念

2.4.2海浪谱分解

2.4.3海浪的实时仿真方法

2.5基于海浪谱加权平均的船舶纵向运动建模

2.6船舶纵向运动状态空间模型及分析

2.7船舶纵向运动智能化数学模型建立及分析

2.8本章小结

第3章海浪扰动建模

3.1平稳随机过程功率谱及功率谱估计

3.1.1自相关函数估计

3.1.2经典谱估计的基本方法

3.1.3经典谱估计改进方法

3.2海浪扰动力和扰动力矩的实域仿真和频谱分析

3.3平稳随机过程作用下的线性系统分析

3.4基于最小二乘法的参数估计

3.4.1最小二乘法

3.4.2递推最小二乘法

3.4.3递推最小二乘法的改进算法

3.5海浪扰动成型滤波器

3.6海浪扰动力和扰动力矩估计

3.6.1前向差分法和中心差分法

3.6.2有色估计和扩展估计

3.6.3中心差分法与有色估计及扩展估计比较

3.7本章小结

第4章基于π型舵船舶减纵摇最优设计

4.1船舶纵向运动状态估计

4.1.1经典Kalman滤波理论

4.1.2扩展Kalman滤波(EKF)

4.2经典随机最优控制

4.2.1有限时间最优调节器

4.2.2无限时间最优调节器

4.3分离原理

4.4基于扰动建模的扩展随机最优控制

4.5基于π型舵船舶减纵摇LQG控制

4.6本章小结

第5章基于π型舵船舶减纵摇广义预测控制

5.1预测控制的发展及其应用

5.2预测控制基本原理

5.3 GPC控制的基本方法

5.3.1被控对象数学模型

5.3.2 GPC控制性能指标

5.3.3多步输出预测及Diophantine方程

5.3.4最优控制律计算

5.4基于状态空间的多变量GPC控制

5.4.1输出多步预测和状态估计

5.4.2 GPC控制律推导

5.5基于π型舵船舶减纵摇多变量GPC控制律的研究

5.6本章小结

结沦

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

个人简历

附录A水动力参数计算结果（一）

附录A水动力参数计算结果（二）

附录A水动力参数计算结果（三）

附录B连续系统状态方程系数矩阵计算结果

附录C离散系统状态方程系数矩阵计算结果

附录D海浪扰动谐波谱计算结果

附录E海浪扰动成型滤波器及海浪扰动功率谱建模结果

附录F海浪扰动样本函数及其估计结果

附录G船舶纵向运动状态估计仿真结果

附录H基于π型舵船舶减纵摇LQG控制仿真结果

附录I基于π型舵船舶减纵摇广义预测控制仿真结果