船舶減搖航跡舵的簡捷魯棒優(yōu)化控制.pdf

1、船舶減搖控制是船舶運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，其中舵減搖控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)航向自動(dòng)舵基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種特殊減搖裝置，它能在確保航向保持控制滿足性能要求的情況下取得較好的減搖率，并克服了減搖鰭的缺點(diǎn)，從而提高了艦船在惡劣海況條件下的適航性、安全性以及乘員舒適性。
　　本文針對船舶減搖航跡保持控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為深入的研究，首先分析了船舶的欠驅(qū)動(dòng)性和橫搖對舵響應(yīng)運(yùn)動(dòng)的非最小相位性，并進(jìn)一步對船舶在大幅度動(dòng)舵時(shí)首搖和橫搖的耦合機(jī)制進(jìn)行

2、了定性分析和定量仿真研究，數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示在大舵角轉(zhuǎn)向時(shí)，船舶的首搖和橫搖運(yùn)動(dòng)存在較強(qiáng)的耦合作用，橫搖幅度和首搖幅度存在較強(qiáng)的正相關(guān)性。
　　在分析船舶首搖和橫搖耦合機(jī)制的基礎(chǔ)上，為了建立更加準(zhǔn)確的響應(yīng)型船舶運(yùn)動(dòng)模型，綜合考慮橫搖對舵響應(yīng)運(yùn)動(dòng)的非最小相位性、振蕩性和慣性橫傾，提出一種橫搖響應(yīng)運(yùn)動(dòng)模型，其參數(shù)具有典型的物理意義且估值簡單。在此基礎(chǔ)上，以某海軍多功能運(yùn)輸船的非線性運(yùn)動(dòng)模型的對舵響應(yīng)輸出為樣本數(shù)據(jù)，應(yīng)用一種自適應(yīng)遺傳

3、算法對響應(yīng)型船舶運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)進(jìn)行辨識，得到該船的首搖與橫搖響應(yīng)模型，仿真對比試驗(yàn)結(jié)果顯示所得響應(yīng)模型能夠以較高的精度逼近樣本數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了響應(yīng)型船舶運(yùn)動(dòng)模型及其參數(shù)辨識方法的有效性和可靠性。
　　閉環(huán)增益成形算法以魯棒控制理論作為理論基礎(chǔ)，利用了混合靈敏度算法的結(jié)果，是一種簡捷魯棒控制算法。為了更好地滿足船舶轉(zhuǎn)向和航向保持對舵機(jī)設(shè)備的不同控制要求，基于一階閉環(huán)增益成形對船舶轉(zhuǎn)向操縱過程分3段進(jìn)行設(shè)計(jì)航向控制器，按照每個(gè)階段的典型特征

4、設(shè)計(jì)對應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)，然后對3個(gè)控制器的輸出進(jìn)行T-S模糊綜合。以某海軍多功能運(yùn)輸船的非線性模型為控制對象，考慮了平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)干擾后進(jìn)行了仿真模擬試驗(yàn)。結(jié)果顯示控制系統(tǒng)具有超調(diào)幅度小、響應(yīng)速度快的動(dòng)態(tài)控制特性，以及較好的航向保持性能。
　　基于船舶橫搖運(yùn)動(dòng)對波浪干擾的響應(yīng)具有高頻帶通特性，在經(jīng)典閉環(huán)增益成形算法的基礎(chǔ)上提出一種頻帶干擾抑制控制算法，其控制器設(shè)計(jì)具有過程簡單、參數(shù)物理意義明顯以及頻域解耦的特點(diǎn)。針對船舶橫搖運(yùn)動(dòng)

5、的非最小相位特性，采用其鏡像映射設(shè)計(jì)非穩(wěn)定過程的控制器。以某海軍運(yùn)輸船的非線性數(shù)學(xué)模型為受控對象，分別設(shè)計(jì)了舵減搖控制器和航向保持控制器。考慮不同遭遇周期的海浪干擾并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。結(jié)果顯示該控制系統(tǒng)在船舶橫搖自然頻率附近頻帶內(nèi)減搖效果顯著，并具有良好轉(zhuǎn)向和航向保持性能。
　　為了消除舵機(jī)中存在的間隙非線性給船舶航向保持帶來的不良影響，采用一階和二階閉環(huán)增益成形算法混合控制策略，充分發(fā)揮二階算法的動(dòng)態(tài)控制性能良好和一階算法能消除靜

6、差的優(yōu)勢。以某海軍運(yùn)輸船的非線性數(shù)學(xué)模型為控制對象進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在惡劣海況下，控制器能夠消除舵機(jī)間隙非線性帶來的不良影響，混合控制策略能降低航向超調(diào)量且具有良好的魯捧性能。
　　為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)魯棒航向保持控制器的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，將基于閉環(huán)增益成形算法的二階航向保持控制器參數(shù)分成模型參數(shù)和干擾帶寬參數(shù)兩部分。針對由于航速等變化引起的模型參數(shù)攝動(dòng)，提出在利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)響應(yīng)型船舶運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)在線辨識的前提下對控制器模型參

7、數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，同時(shí)針對海況變化引起航向保持性能的下降，以航向保持誤差最小和舵機(jī)損耗最小作為適應(yīng)度函數(shù)優(yōu)化干擾帶寬參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制器模型參數(shù)的適應(yīng)性調(diào)整與干擾帶寬參數(shù)的在線優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，與固定參數(shù)控制器相比該控制系統(tǒng)具有更高的航向保持精度、較小的航向調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)幅度。該系統(tǒng)對于模型攝動(dòng)和外界干擾具有較好的適應(yīng)能力，具有明顯的工程應(yīng)用意義。
　　針對減搖航跡保持控制中存在的多目標(biāo)優(yōu)化問題，應(yīng)用非支配排序遺傳算法提出了舵減

8、搖與航跡保持控制的魯棒協(xié)同優(yōu)化方法。本研究首先在非線性船舶運(yùn)動(dòng)模型線性化的基礎(chǔ)上提出了一種響應(yīng)型簡化線性模型，然后基于閉環(huán)增益成形算法建立了航跡保持與舵減搖的簡捷魯棒控制器，進(jìn)而針對航跡跟蹤精度、舵減搖率和舵機(jī)能耗3個(gè)目標(biāo)函數(shù)，利用NSGA-II實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)參數(shù)的魯棒協(xié)同優(yōu)化。最后對某海軍運(yùn)輸船的非線性模型進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果顯示Pareto優(yōu)化解集能充分反映多目標(biāo)函數(shù)之間的制約性，性能最優(yōu)解參數(shù)方案與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)方案相比能夠?qū)崿F(xiàn)更好的航