基于混沌分析的船舶参数激励横摇运动及其鲁棒控制

摘要

船舶作为一种重要的交通工具，在实施设计中虽然考虑了国际公约和国内法规有关稳性标准的规定，但波浪造成船舶失稳从而引发船舶倾覆的现象时有发生。目前船舶静态稳性纳入了稳性标准而动态稳性却未予以考虑，也就是说对于船舶在波浪中的稳性损失、运动瞬时状态及船舶与波浪遭遇状况缺少相关的考虑和研究。因此研究船舶在波浪激励下的复杂运动特性及鲁棒控制工程意义极为显著。
　　船舶参数激励横摇可能导致船舶的大幅度横摇运动，威胁船舶、货物和海上人命安全。为了减小参数激励带来的不利因素，通过李亚普诺夫指数和功率谱对船舶在规则纵浪中运动的稳定性进行分析。从而分析船舶参数激励横摇运动的产生机理，不仅分析了船舶参数激励横摇产生混沌现象的条件，而且确定出船舶参数激励横摇运动的安全与危险区域。然后基于Backstepping算法、闭环增益成形算法及Lyapunov稳定性设计出减摇鳍控制器，并且在考虑一定的干扰后进行了仿真试验。仿真结果表明该控制策略对于消除船舶参数激励横摇系统的混沌现象是十分有效的，并且鲁棒性能令人满意。
　　船舶参—强激励横摇比纯参数横摇可能导致船舶更大幅度的横摇运动，在主参数共振区内，较小的参数激励和强迫激励仍可能引起船舶大幅横摇，甚至倾覆，威胁船舶、货物和海上人命安全。为了减小参—强激励带来的不利因素，通过李亚普诺夫指数和功率谱对船舶在规则纵浪中运动的稳定性进行分析，找到参—强激励横摇运动的稳定和危险区域，以及对于船舶初始运动参数的变化关系。然后基于Backstepping算法、闭环增益成形算法及Lyapunov稳定性设计出非线性鲁棒控制器，并且在考虑一定的干扰后进行了仿真试验。仿真结果表明该控制策略对于消除船舶参—强横摇系统的混沌现象是十分有效的，并且鲁棒性能令人满意。
　　在船舶初稳性高的时变性的影响下，随机纵浪也会对船舶的横摇稳定性造成较大的影响，特别在特征波长接近船长，且参数激励频率与船舶横摇固有频率之比为2时，船舶会发生大幅横摇不稳定运动，即为随机波条件下的参数激励横摇或参—强激励横摇。通过求解船舶在随机纵浪中主参数共振时的Lyapunov指数，分析船舶在随机纵浪条件下的主参数共振稳定性，并由此计算了船舶运动的稳定域与不稳定域，讨论了船舶横摇阻尼、随机波浪的中心频率，带宽等对船舶参数激励横摇运动稳定性的影响。同时，针对随机波条件下参数激励与参—强激励非线性运动设计出鲁棒控制器，从而减小船舶横摇危险，提高航行稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景与研究意义

1．2 混沌的发展及研究概况

1．3 船舶参数激励横摇运动的研究现状

1．4 船舶运动非线性鲁棒控制现状

1．4．1 船舶航向保持鲁棒控制

1．4．2 船舶减摇鳍鲁棒控制

1．4．3 船舶舵鳍联合鲁棒控制

1．4．4 船舶运动控制发展趋势综述

1．5 论文的主要工作与内容

第2章 基础理论

2．1 混沌

2．1．1 混沌的定义

2．1．2 混沌的识别

2．1．3 几种典型的混沌系统

2．2 船舶平面运动数学模型

2．2．1 船舶平面运动的运动学

2．2．2 船舶平面运动线性化数学模型

2．2．3 船舶运动响应型非线性数学模型

2．3 Lyapunov稳定性理论

2．3．1 Lyapunov稳定性定义

2．3．2 Lyapunov稳定性定理

2．4 简捷鲁棒控制算法

2．4．1 鲁棒控制理论

2．4．2 闭环增益成形算法

2．4．3 非线性Backstepping算法

2．5 本章小结

第3章 船舶参数激励横摇运动鲁棒控制

3．1 船舶参数激励横摇运动系统数学模型与混沌分析

3．1．1 船舶参数激励横摇运动方程的建立

3．1．2 参数激励横摇运动算例分析

3．1．3 船舶参数激励横摇运动的混沌和失稳条件

3．2 基于闭环增益成形算法的鲁棒控制器

3．2．1 基于精确反馈线性化的简捷鲁棒控制

3．2．2 船舶参数激励横摇运动非线性控制器设计

3．2．3 参数激励横摇运动非线性控制仿真研究

3．3 基于Backstepping的鲁棒控制器

3．3．1 基于Backstepping的非线性控制

3．3．2 船舶参数激励横摇运动非线性控制器设计

3．3．3 参数激励横摇运动非线性控制仿真研究

3．4 基于Lyapunov稳定性的鲁棒控制器

3．4．1 基于Lyapunov的简捷鲁棒控制

3．4．2 船舶参数激励横摇运动的鲁棒控制器设计

3．4．3 参数激励横摇运动非线性控制仿真研究

3．5 本章小结

第4章 考虑强迫激励的船舶参数激励横摇运动鲁棒控制

4．1 船舶参—强激励横摇运动系统数学模型及混沌分析

4．1．1 参—强激励横摇运动非线性数学模型

4．1．2 参—强激励与纯参数激励横摇运动特征比较

4．1．3 参—强激励横摇运动的混沌分析

4．1．4 参—强激励横摇运动的非线性运动响应

4．2 基于Backstepping的鲁棒控制器

4．2．1 基于Backstepping的参—强激励横摇运动非线性控制器设计

4．2．2 参—强激励横摇运动非线性控制仿真研究

4．3 基于积分Backstepping的鲁棒控制器

4．3．1 积分Backstepping的简捷鲁棒控制

4．3．2 参—强激励船舶横摇运动的鲁棒控制器设计

4．3．3 参—强激励横摇运动非线性控制仿真研究

4．4 基于Lyapunov稳定性的鲁棒控制器

4．4．1 基于Lyapunov稳定性的参—强激励横摇运动鲁棒控制器设计

4．4．2 参—强激励横摇运动非线性控制仿真研究

4．5 本章小结

第5章 随机波条件下参数激励和参—强激励横摇运动鲁棒控制

5．1 随机波条件下参数激励横摇运动数学模型及稳定性分析

5．1．1 随机波条件下参数激励横摇运动非线性数学模型

5．1．2 随机波条件下参数激励横摇运动稳定性分析

5．2 随机波条件下参数激励横摇运动非线性鲁棒控制

5．2．1 基于闭环增益成形算法的鲁棒控制器设计

5．2．2 基于闭环增益成形算法的非线性控制仿真研究

5．2．3 基于Backstepping的鲁棒控制器设计

5．2．4 基于Backstepping的非线性控制仿真研究

5．3 随机波条件下参—强激励横摇运动数学模型及非线性运动响应

5．3．1 随机波条件下参—强激励横摇运动非线性数学模型

5．3．2 随机波条件下参—强激励横摇运动非线性运动响应

5．4 随机波条件下参—强激励横摇运动非线性鲁棒控制

5．4．1 基于闭环增益成形算法的鲁棒控制器设计

5．4．2 基于闭环增益成形算法的非线性控制仿真研究

5．4．3 基于Backstepping的鲁棒控制器设计

5．4．4 基于Backstepping的非线性控制仿真研究

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介