船舶气动式抗横倾系统的自抗扰控制研究

摘要

船舶抗横倾控制与船舶在港作业与海上航行的安全性能密切相关，随着航运行业的不断发展和进步，尤其是未来的智能船舶对船舶操纵性、安全性提出的新挑战，船舶抗横倾系统自动控制策略的研究与应用是非常重要的研究课题。本文针对不确定非线性船舶抗横倾控制问题，以船舶气动式抗横倾系统为被控对象，重点开展自抗扰控制技术及其在船舶抗横倾中的应用研究。
　　首先对船舶抗横倾装置的结构、工作原理进行详细分析。通过船舶横倾运动的静力学与动力学分析，建立了船舶横倾运动的数学模型。在静力学分析时，重点研究了载荷移动对船舶横向浮态的影响以及载荷装卸对船舶横向浮态的影响;在动力学分析时，重点研究了船舶在突变力矩的作用下的运动过程。
　　然后，针对不确定非线性船舶抗横倾控制问题，对自抗扰控制技术进行了深入分析，详细地讨论了从经典PID控制到非线性PID控制、再到自抗扰控制的发展历程。以二阶自抗扰为例，对自抗扰控制律中各个组成部分的原理及算法进行了分析与介绍，并给出了自抗扰控制律的具体离散控制算法。对自抗扰控制器的众多参数进行了讨论与分析，基于自抗扰控制技术的原理以及实际应用情况，给出了一套实用的参数整定方法。基于船舶气动式抗横倾系统，设计了一种自抗扰控制器，用来改善控制系统的性能。最后，通过一系列的仿真测试，将自抗扰控制器与经典PID控制器以及非线性PID进行了对比，验证了自抗扰控制器在船舶横倾运动控制中的优良性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 船舶抗横倾调控装置的发展现状

1．2．1 阀门切换式

1．2．2 泵控式

1．2．3 气动式

1．3 自抗扰控制技术

1．4 课题主要研究内容

第2章 船舶气动式抗横倾系统的数学模型

2．1 船舶气动式抗横倾装置工作原理

2．1．1 气动式抗横倾装置的基本组成

2．1．2 气动式抗横倾装置的工作过程

2．2 船舶横倾的静力学分析

2．2．1 船舶坐标系的确定

2．2．2 重心移动定理

2．2．3 载荷横移对船舶横向浮态的影响

2．2．4 载荷装卸对船舶横向浮态的影响

2．3 船舶横倾的运动学分析

2．3．1 惯性力矩的计算

2．3．2 阻尼力矩的计算

2．3．3 复原力矩的计算

2．3．4 外力矩的计算

2．4 船舶横倾运动的数学模型

2．4．1 平衡水舱充放气过程的热力学分析

2．4．2 平衡水舱的水流动态过程分析

2．4．3 船舶横倾运动方程的建立

2．5 本章小结

第3章 自抗扰控制器

3．1 自抗扰控制技术概述

3．1．1 经典PID控制概述

3．1．2 非线性PID控制器

3．1．3 自抗扰控制

3．2 自抗扰控制器的原理

3．2．1 跟踪微分器

3．2．2 扩张状态观测器

3．2．3 非线性反馈控制率

3．3 自抗扰控制与其它控制的比较

3．3．1 对系统不确定性的适应性比较

3．3．2 抵抗干扰能力的比较

3．4 本章小结

第4章 自抗扰控制器的设计与参数整定

4．1 船舶气动式抗横倾系统的自抗扰控制

4．1．1 安排过渡过程(跟踪微分器TD)

4．1．2 扩张状态观测器

4．1．3 非线性状态误差反馈

4．2 自抗扰控制器的参数整定

4．2．1 跟踪微分器的参数整定

4．2．2 扩张状态观测器的参数整定

4．2．3 非线性反馈控制率的参数整定

4．3 本章小结

第5章 基于自抗扰控制的船舶气动式抗横倾系统的仿真研究

5．1 船舶气动式抗横倾控制系统

5．2 仿真分析

5．2．1 仿真实验设置

5．2．2 正常控制效果的仿真实验

5．2．3 被控对象不确定性的仿真实验

5．2．4 扰动控制效果的仿真实验

5．3 本章小结

结论

参考文献

致谢