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舵鳍联合鲁棒控制系统研究

于萍  
【摘要】: 传统的船舶航向保持和横摇稳定是分别作为两个独立的问题来处理的。随着船舶操纵性和现代控制理论的研究的不断深入,多输入多输出的舵鳍联合控制系统逐渐受到人们的重视。但所有的研究无论是用最优控制、LOG控制还是模糊控制,都是基于船舶运动的线性模型,忽略了船舶运动的非线性。船舶的横摇运动与水平面运动是强烈耦合的,而这种相互耦合的运动根据试验数据往往被拟合为非线性函数的形式,同时船舶在海上运动又会受到海浪的干扰作用。可见船舶的运动本质上是耦合非线性、大干扰的过程,本文基于船舶的非线性运动模型进行舵鳍联合控制系统的设计,在控制航向的同时,达到较高的减摇效果。 首先,基于动量定理、动量矩定理建立了首摇、横荡、横摇三个自由度的船舶运动方程,并分析了船体所受外力(及力矩),包括船体水动力、舵、鳍上所受的流体动力及海浪的干扰。给出了随机海浪波高、横荡力、横摇力矩、艏摇力矩的仿真算法。 然后,对船舶运动的非线性模型进行了分析。为了得到船舶舵鳍联合控制系统的状态反馈H~∞设计的数学模型,把非线性项及与横荡速度相关的项也看作是对系统的扰动,把非线性船舶舵鳍联合控制系统设计问题化为以二次型性能指标为目标函数的干扰抑制的H~∞线性系统设计问题。并通过引入适当的标定矩阵的方法,使被控对象满足正交条件,在验证前提条件之后,采用基于Riccati不等式的状态反馈H~∞标准控制问题的解法进行控制器设计。为不同的海情选取了加权阵,求出控制器,完成了船舶舵鳍联合控制系统的设计工作 最后,用MATLAB语言对控制器进行仿真,从仿真曲线和仿真数据可以看出,使用状态反馈H~∞控制理论设计出来的控制器对艏摇与横摇有较好的控制效果,而对横荡控制效果不理想,基本达到控制目的。


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