随机海浪作用下船上物体保持水平的预测控制研究

摘要

舰船是经常处在风浪的环境条件下航行和战斗的.在随机海浪的扰动下,船舶在海上不可避免地会发生摇荡运动,造成船体的倾斜.尤其是对大量的小型舰船,船体的最大倾角甚至可达到15°以上.在实战中,船舶的摇荡将造成炮手对船载火炮的操纵性能降低,降低火炮的发射命中率,影响到船载火炮威力的发挥.通过直接控制固连于船体的火炮,使其始终保持在水平状态,可以提高实战中火炮的操纵性能,提高火炮的命中率.该文应用控制理论通过预测随机海浪扰动下船舶的横摇、纵摇运动的摇角值,按照所设计的控制规律实现在不受实际海况限制的情况下调整船上物体的空间位置,使此物体保持水平状态的目的.该文根据统计叠加理论,采用ITTC单参数标准海浪谱仿真模型实际的长峰波随机海浪,进而实时仿真长峰波随机海浪对船舶的随机扰动,对船舶在海浪中的横摇和纵摇运动进行了时域仿真,得到船舶摇荡运动的横摇角信号θ(t)和纵摇角信号φ(t).对于船舶摇荡运动这一动态过程,采用时间序列分析的方法,建立系统的自回归模型(AR模型),并根据最小AIC信息量判定准则保证建立的系统模型为最优化模型.利用参数模型的方式对船舶横摇、纵摇运动的动态数据进行分析处理,揭示船舶摇荡运动的规律,预测船舶横摇角、纵摇角的未来值.然后将摇角的预测值转化为保持船上物体水平所需要的调节量,按照合适的控制规律对船上物体进行控制调节.该文建立的自回归模型可以很好的预测船舶的摇荡运动趋势.通过预测控制系统对船上火炮(或其他需要保持水平的物体)的控制调节,可以保证此物体始终处于水平状态附近,使炮手对火炮的操纵精度提高,大大提高火炮的实战命中率.此系统的研究是对船上物体进行实时智能控制的一次探索,控制过程简单方便,有较高的实用价值.

目录

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引言

1绪论

1.1问题的提出

1.2问题解决方案的确定

1.3预测控制系统研究的基本情况

1.3.1预测控制的产生

1.3.2预测控制算法的特点

1.3.3预测控制的现状

1.4本课题研究的主要内容及意义

2随机海浪的分析与海浪波倾角的仿真

2.1随机海浪的分析

2.1.1海浪的产生发展

2.1.2海浪的理论分析研究方法

2.1.3平面进行波

2.1.4不规则波浪

2.1.5海浪的谱分析

2.2实际海浪的仿真

3船舶在海面上的摇荡运动

3.1船舶摇荡运动的建模

3.1.1研究海浪对船舶摇荡运动影响的方法

3.1.2船舶运动数学模型的建模方法

3.1.3船舶摇荡运动的分析

3.2船舶摇荡运动的横摇运动模型及其仿真

3.2.1船舶的横摇运动模型

3.2.2船舶的横摇波倾角仿真模型

3.2.3船舶的横摇运动仿真

3.3船舶摇荡运动的纵摇运动模型及其仿真

3.3.1船舶的纵摇运动模型

3.3.2船舶的纵摇波倾角仿真模型

3.3.3船舶的纵摇运动仿真

4船舶摇荡运动趋势的预测

4.1平稳随机过程的预测模型

4.1.1平稳时间序列及其基本性质

4.1.2平稳时间序列的预测模型(AR模型)

4.2 AR预测模型的最佳阶数确定方法

4.2.1 K-L信息量及AIC准则

4.2.2估计AR模型的参数和计算AIC的方法

4.3船舶摇荡运动趋势的预测

4.3.1数据的采集

4.3.2船舶摇荡运动横摇角、纵摇角预测

4.3.3系统预测模型的预测误差分析

5船上物体位置调节的预测控制系统

5.1预测控制系统的结构

5.2预测控制系统的实际应用

5.2.1系统控制机构的选择

5.2.2预测控制系统的误差校正

结 论

参考文献

附录A 海浪仿真及船舶摇荡运动预测算法的MATLAB程序

在学研究成果

致 谢