风帆助航船舶运动的模糊自适应迭代滑模控制

摘要

随着世界石油危机的出现与人类环保意识的增强，风帆助航船舶因其节能的特点逐渐引起人们的关注。借助风能提供的船舶前进方向的辅助推力，以达到节约能源和保护环境的目的已成为当今船舶工业研究的热点之一。本文主要针对风帆助航船的建模及运动控制进行研究。
　　首先，本文针对风帆助航船舶，考虑船舶主机特性，提出并建立一种基于MMG分离模型思想的四自由度风帆助航船舶运动数学模型。对处于复杂环境下的风帆进行受力分析，给出风帆在最佳攻角下的受力函数。以76000DWT大型远洋散货船“文竹海”号为目标，引入圆弧形硬帆，根据实船参数建立其四自由度的风帆助航船舶运动数学模型，并采用Matlab/Simulink软件进行相应的仿真分析。
　　其次，本文针对风帆助航船舶运动非线性模型具有的高度不确定性和易受外界风浪作用的特点，提出一种模糊自适应迭代滑模航向控制器。该方法使用双曲正切函数设计系统的迭代滑动模态，利用函数的有界性，避免了对系统不确定项和外界干扰项的估计。为优化该控制器参数，增强控制器的自适应性，结合模糊参数自适应的方法，对控制器的控制速率进行了优化调节。之后，通过定义一种控制量抖振测量变量和自适应启发评价函数，对控制参数模糊系统的结构参数进行在线调整，抑制控制量的抖振。
　　然后，考虑风帆助航船舶因受风帆和海流等作用的影响而产生横向漂移，并造成航线偏离的特点，以提高船舶航迹跟踪性能和降低船舶操舵次数及功耗为目标，基于非线性迭代滑模控制、模糊参数优化系统和自适应启发评价方法，针对风帆助航船舶的直线航迹控制设计基于自适应启发评价的迭代滑模航迹控制器。
　　最后，采用Matlab/Simulink软件，以“文竹海”号76000DWT散货船数学模型为研究对象进行航向和直线航迹跟踪的控制与仿真，结果表明本文所设计控制器能有效的处理参数摄动及风浪等外界扰动，且能很好地抑制控制量的抖振。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 风帆助航船舶的研究现状

1．2．1 国内外风帆助航船舶发展与现状

1．2．2 风帆助航船舶的建模研究

1．2．3 船舶运动的滑模控制研究

1．3 论文结构

第2章 风帆助航船舶运动的数学建模与仿真

2．1 风帆的受力分析

2．2 风帆助航船舶运动模型的建立

2．2．1 船舶运动方程

2．2．2 船舶推进装置模型

2．2．3 舵机流体动力特性计算

2．2．4 环境干扰力和力矩

2．2．5 整体模型的构建

2．3 风帆助航船舶运动模型仿真与分析

2．3．1 目标船舶概况

2．3．2 “文竹海”散装货船运动仿真试验

2．3．3 风帆助航船舶运动仿真试验

2．4 本章小结

第3章 风帆助航船舶的模糊自适应迭代滑模航向控制

3．1 非线性迭代滑模航向控制

3．1．1 非线性迭代滑模航向控制器设计

3．1．2 船舶航向控制率设计

3．1．3 控制率稳定性分析

3．1．4 仿真与分析

3．2 模糊参数自适应滑模航向控制

3．2．1 模糊控制概述

3．2．2 控制结构设计

3．2．3 仿真与分析

3．3 基于自适应启发评价的模糊迭代滑模航向控制

3．3．1 控制结构设计

3．3．2 仿真与分析

3．4 本章小结

第4章 风帆助航船舶的模糊自适应迭代滑模直线航迹控制

4．1 引言

4．2 控制结构设计

4．2．1 迭代滑模控制器设计

4．2．2 稳定性分析

4．2．3 控制器参数的模糊系统设计

4．2．4 自适应启发评价系统设计

4．3 仿真与分析

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢