基于模型预测控制的自航耙吸挖泥船疏浚优化控制研究

摘要

随着科技的不断进步,我国疏浚作业能力已取得长足发展,疏浚设备也随之得到更新。我国疏浚设备朝着大型化和自动化方面发展,但是对疏浚高效化方面还缺少研究,在现有的疏浚设备基础上提高疏浚性能、提升疏浚效率是我国疏浚事业亟待研究和发展的方向。基于此开展耙吸挖泥船疏浚机理研究,探讨疏浚优化工况方法,对提高挖泥船疏浚效率具有重大意义。
　　本课题从耙吸挖泥船疏浚机理出发,建立基于控制的耙吸挖泥船数学模型,通过对疏浚过程和生产效率的智能评估与分析,采用模型预测控制(MPC)技术,获取疏浚优化的最佳策略,实现在不同土质和不同疏浚装备工况条件下的优化控制。
　　首先在考虑土壤等因素的影响条件下,论文建立基于控制的耙吸挖泥船挖掘装舱过程的数学模型,对耙头挖掘过程和泥舱沉积过程进行了机理分析与数学建模,并采用挖泥船实测数据对模型进行验证。验证结果表明模型具有很高的准确性,可用于MPC控制设计。
　　其次在系统分析和研究挖泥船疏浚过程的基础上,提出一种基于模型预测控制的在线疏浚优化的方法,优化的目的是使挖泥船在完整疏浚周期内的产量最大化。MPC控制器由数学模型、目标函数和优化器三个部分构成。
　　疏浚优化过程是一个复杂的多系统耦合,多约束条件问题。本文将遗传算法运用于MPC控制器的优化器,使优化器能在大搜索空间中以相对较少的时间达到最优值,寻找到最佳的可控疏浚参数。然后采用“新海凤”号自航耙吸式挖泥船工程实测数据对该 MPC控制器及其优化算法进行了仿真验证,并与现有控制技术进行性能比较,结果表明 MPC优化方法能够使挖泥船的疏浚周期缩短10％～18％,周期产能提高10％。
　　最后采用LabVIEW开发了基于MPC的疏浚优化控制系统人机界面。系统根据周期产量和时间效率对疏浚性能进行评估,给出历史最优疏浚周期以及与疏浚工况条件相适应的最优可控参数,以达到疏浚产量最大化,提高挖泥船的疏浚效率和性能。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外挖泥船疏浚优化的研究现状

1.4 模型预测控制的研究现状

1.5 本论文主要研究内容

1.6 论文结构

1.7 本章小结

第2章 自航耙吸挖泥船简介

2.1 国内自航耙吸挖泥船发展史

2.2 自航耙吸挖泥船疏浚工作原理

2.3 自航耙吸船主要系统部件

2.4 自航耙吸挖泥船疏浚模型

2.5 自航耙吸挖泥船发展方向

2.6 本章小结

第3章 自航耙吸挖泥船装舱过程的建模

3.1 自航耙吸挖泥船动态建模

3.2 装舱过程模型

3.3 泥舱沉积过程系统建模

3.4 耙头挖掘过程系统建模

3.5 本章小结

第4章 MPC控制器的设计

4.1 模型预测控制的基本原理

4.2 MPC用于耙吸挖泥船疏浚优化过程的优势

4.3 耙吸挖泥船MPC控制器设计

4.4 预测模型

4.5 优化目标

4.6 基于遗传算法的优化器设计

4.7 MPC疏浚优化结果

4.8 MPC疏浚优化性能评价

4.9 本章小结

第5章 疏浚优化人机界面设计

5.1 虚拟仪器及LabVIEW语言介绍

5.2 自航耙吸挖泥船疏浚优化系统人机界面设计

5.3 自航耙吸挖泥船疏浚优化系统的实现

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢