船舶横向运动状态估计及控制研究

摘要

船舶利用航向舵减摇是近些年发展起来的一种新型的减摇技术.它的造价低,体积适宜,占空间小,使用维修方便,不仅可以在大中型的民船上应用,又便于对没有配备减摇控制装置的现役舰船进行加装改造受到船舶工业界关注.因此它有着极其广阔的应用前景.本文应用卡尔曼滤波和随机多变量最优控制理论对已知的船舶模型首先进行状态估计,然后再应用随机最优控制来操纵航向舵以达到减摇的目的.由于随机海浪对船舶的扰动力和扰动力矩是平稳随机过程,它是一种有色噪声,而经典卡尔曼滤波要求系统的干扰是白噪声.因此,一方面可以将有色噪声的干扰力和干扰力矩作为白噪声直接应用卡尔曼滤波对船舶进行状态估计,然后,再利用随机最优控制理论控制航向舵,称该方法为次优随机控制.另一方面,可以通过海浪干扰成形滤波器,对海浪干扰进行有理建模,然后引入白噪声作为新系统的输入,进行系统扩展,再应用卡尔曼滤波进行状态估计,最后应用随机最优控制理论控制航向舵进行减摇,称该方法为最优随机控制.本文还采用了参数自整定模糊PID控制策略来实现船舶的航向舵减横摇控制,也得到了比较好的控制效果.本文通过理论研究和大量的仿真结果表明,船舶利用航向舵减横摇是可行的,本文所采用的随机控制和模糊PID控制具有较好的控制效果.

目录

文摘

英文文摘

哈尔滨工程大学学位论文原创性声明

第1章绪论

1.1课题设计来源、背景及意义

1.2船舶舵减横摇国内外研究现状及展望

1.2.1国内在舵减摇方面的工作

1.2.2国外在舵减摇方面的工作

1.2.3近几年的舵减摇的发展及对未来的展望

1.3本文所作主要工作

第2章船舶横向运动模型的建立

2.1切片理论

2.1.1发展史

2.1.2基本理论

2.2船舶横向运动方程

2.2.1横向运动方程的描述

2.2.2基于海浪谱加权的船舶横向运动模型

2.3船舶横向运动智能模型的建立

2.3.1最小二乘法

2.3.2任意海情任意航向任意航速船舶横向智能模型的建立

2.4船舶模型稳定性及能观能控性的分析

2.5本章小结

表

第3章海浪有理谱建模及其仿真

3.1随机海浪

3.2随机海浪的统计特性和谱分析

3.2.1海浪波面升高的概率分布

3.2.2波幅的概率分布

3.2.3海浪的谱密度

3.2.4海浪谱密度的表达式

3.3长峰波海浪仿真

3.3.1等能量离散化方法

3.3.2长峰波海浪的仿真

3.3.3长峰波随机海浪仿真结果的检验

3.4海浪成形滤波器及对海浪的仿真

3.4.1白噪声的相关函数与谱密度

3.4.2有色噪声的成形滤波器

3.4.3随机海浪的成形滤波器

3.5海浪对船舶干扰力和干扰力矩的仿真和频谱分析

3.6本章小结

第4章船舶横向舵减摇最优随机控制

4.1横向运动模型的离散化及分析

4.1.1线性连续系统的时间离散化

4.1.2系统的离散化及其分析

4.2卡尔曼滤波

4.2.1卡尔曼滤波的算法

4.2.2状态滤波估计公式的直观意义

4.2.3关于滤波增益K(k)的讨论

4.3随机最优控制

4.4分离性原理

4.5次优随机控制和最优随机控制系统仿真

4.5.1次优随机控制

4.5.2最优随机控制

4.6本章小结

图表

第5章模糊PID控制

5.1模糊控制的基本思想

5.2模糊数学基础

5.2.1模糊集合的定义及其表示

5.2.2隶属函数

5.2.3常用的隶属函致

5.2.4模糊关系

5.2.5模糊关系矩阵运算

5.2.6模糊推理

5.2.7模糊语言变量

5.3模糊控制的基本原理

5.3.1模糊控制系统的组成

5.3.2模糊控制器

5.3.3模糊条件语句与模糊控制规则

5.3.4模糊控制算法的实现

5.4参数自整定模糊PID控制器

5.4.1参数自整定的基本思想

5.4.2建立模糊控制规则

5.4.3模糊变量的赋值表的设计

5.4.4参数自整定修改表

5.5本章小结

图

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及成果

致谢