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闭环增益成形算法及其在舵阻摇系统中的应用

张丽坤  
【摘要】: 本文提出了单输入多输出(SIMO)系统即被控对象为非方阵情况下的闭环增益成形控制算法。闭环增益成形算法在SISO系统、非稳定过程和被控对象为方阵的MIMO系统中的应用已被充分肯定。但是,在被控对象为非方阵的系统中,由于求解控制器时涉及到矩阵求伪逆问题,很大程度上增加了此课题的难度,故此种情况下的闭环增益成形算法未被提出。考虑到此系统的闭环传递函数阵一定是奇异的,以及具有一个输入控制两个输出的特点,在保证其中一个输出尽量小而另一个输出跟踪输入的前提下,将闭环传递函数阵即补灵敏度函数设为具有一阶惯性的奇异阵,设计出控制器。 将闭环增益成形算法应用于舵阻摇系统。舵阻摇系统正是被控对象为非方阵的系统,它通过输入δ_r(舵令)来控制输出Φ(横摇角)和Ψ(首向角)。在舵阻摇控制中所作的具体工作分以下两大方面: 将舵阻摇模型线性化,得到五阶线性模型,选择合适的降阶方法进行降阶得到二阶模型,运用闭环成形算法设计出二阶控制器。研究并建立舵阻摇系统的非线性模型,并在Matlab中通过编写S函数来实现。用设计好的二阶控制器对五阶线性模型和非线性模型进行仿真控制,运用Simulink工具箱得到仿真曲线,从仿真曲线可看出此控制器具有良好的控制性能。 研究并建立风、浪干扰的非线性模型,通过编写S函数来实现之。把它们加入到非线性舵阻摇系统中进行仿真研究,以提高仿真的可信度。运用Simulink工具箱得出加风、浪后系统的输出曲线,通过观察,可以看到舵角在有效范围内变化,航向跟踪和保持得很好。同时,通过分析并比较阻摇前和阻摇后的各组仿真曲线,算出减摇率平均在25%左右,减摇效果较好,说明系统具有鲁棒性。 用此算法设计的控制器具有良好的控制性能、鲁棒性能和鲁棒稳定性,证明了此算法是值得应用和推广的。


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