舰船动力学分析与姿态稳定控制研究

摘要

本文研究了舰船姿态稳定控制系统的设计方法，分析了控制性能的局限性，分析了舰船动力学特性、执行系统的约束限制及控制策略对于姿态稳定控制性能的影响，论证了设计中权衡与折衷考虑控制性能指标的必要性，形成了解决姿态稳定控制问题的系统化方法。本文研究的目的是为了使舰船能够适应信息化战争的需要，为舰载武器系统提供一个高精度的稳定平台，充分发挥高新技术武器的效能。 本文分析了舰船在海浪激励下的运动响应特性，建立了海浪与舰船运动相互作用的模型，应用横摇响应算子RO(ResponseOperator)方法，实现了舰船在波浪中横摇运动响应的预测。考虑到舰船在海浪中航行时受到的风、浪和潮流的作用十分复杂，而且它们对于舰船的作用也是十分复杂的，涉及到海洋环境的数学描述与建模，还涉及到船体和水翼的水动力特性与水动力所产生的舰船振荡运动，因此本文进行了必要的理论假设与简化，目的是为了建立一个适用的和比较准确的数学模型*。建立模型的目的，一是为了实现舰船4-DOF(4DegreesofFreedom)运动仿真；二是为了提供一个用于舰船姿态稳定控制器设计的标称模型和检验评估控制器的适用性的仿真平台。 在建立舰船动力学模型和海洋环境模型的基础上，分析了影响舰船姿态稳定控制系统的性能指标的各种因素，特别是舰船姿态稳定控制系统中存在的非最小相位特性NMP(Non-MinimumPhase)的影响。本文分析了舰船姿态稳定控制系统的主要性能局限性，对性能指标进行了量化分析，指出了舰船动力学特性和控制系统的结构是决定性能局限性和设计中必须权衡与折衷的主要原因。本文研究了控制作用的幅值约束和速率约束对于控制性能的影响，通过数值仿真分析了在不同航行条件下控制作用的约束所引起的性能指标的下降，得出的研究结果可用于评估减摇装置的可用度。 本文提出了输入作用存在约束限制条件下的控制性能指标分析方法，揭示了传统控制方法存在的局限性，分析了控制系统的结构和控制策略对性能指标的影响，研究了约束条件下的优化控制算法。本文研究了有限时域空间的优化控制和次优化控制问题，分析了约束条件、海浪随机干扰作用和系统状态信息不全对控制性能的影响。针对舰船姿态稳定控制系统所存在的性能局限性、输入约束和海浪随机干扰作用，本文提出了基于MPC的伪自适应控制系统的结构，采用整形滤波器近似描述海浪产生的输出干扰作用，采用动态卡尔曼滤波器迭代算法进行海浪干扰模型参数的最小方差估计(EstimationbyLeastSquareMethod)，采用等效确定性模型预测控制CE-MPC(CertaintyEquivalentModelPredictiveControl)方法设计减摇鳍控制系统和舵减摇控制系统，形成了解决具有自适应抗干扰能力的约束优化控制问题的系统化方法。最后对舵减摇控制系统和减摇鳍控制系统的控制性能进行了仿真研究，达到了良好的减摇效果，仿真结果验证了等效确定性模型预测控制CE-MPC的可行性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章舰船动力学分析与建模

第三章海浪模型与舰船在波浪中的运动响应

第四章舰船姿态稳定系统的控制性能分析

4.1反馈控制系统的性能局限性

4.2舰船姿态稳定控制系统的非最小相位特性

4.3非最小相位特性对于控制性能的影响

4.4优化控制系统的性能局限性分析

4.5输入约束情况下的控制性能局限性分析

4.6本章小结

第五章舰船姿态稳定系统的约束控制

5.1确定性系统的约束控制

5.2模型预测控制MPC

5.3不确定性系统的控制方法

5.4舰船姿态稳定控制系统的综合设计

5.5舰船姿态稳定控制系统仿真

5.6本章小结

第六章总结与展望

参考文献

附录A被控对象的特征参数

附录B响应算子与舰船在海浪中的运动预报

在学期间的研究成果及发表的论文

致谢