船舶运动与主推进线性变参数联合控制的研究

【摘要】： 本文对应用线性变参数(LPV)系统算法的船舶运动与柴油主机推进联合控制进行了系统的研究。 船舶操纵是一个极为复杂的控制问题。船舶航速、吃水的变化直接影响船舶的操纵性能，在研究船舶航向或直线航迹的控制时应予以足够重视。另外，船舶主机的转速影响船舶航速和操纵性能，而船舶运动状态也与主机转速和运行工况密切相关，所以船舶运动与主机控制存在强耦合关系。因此提出并进行船舶运动与主推进的联合控制技术研究具有重要理论和工程意义。 为了进行船舶运动的控制仿真，论文建立了MAN BW 10L90MC大功率船用柴油机的一阶惯性模型和包含风、浪、流外界干扰的5446TEU大型集装箱船MMG模型。以此为基础，对5446 TEU集装箱船在试航条件下进行回转仿真计算，仿真数据与实船试航数据基本吻合，验证了所建船舶运动模型和柴油机模型的有效性。 LPV控制方法是基于线性矩阵不等式(LMI)的时不变系统H_∞控制理论在LPV系统上的推广。论文讨论了基于线性分式变换(LFT)、LPV多胞等LPV控制方法，总结了基于LPV系统的极点配置、多模型切换等控制理论研究成果。LPV控制方法的主要特征是通过实时可测或可估计的参数改变系统增益实现对时变系统的控制，因此LPV控制方法能够改进系统的稳定性、动态性能和鲁棒性。LPV系统在导弹、机器人等非线性系统控制方面取得满意的应用成果。 在对船舶运动和柴油主机动态特性分析的基础上，本文LPV多胞的非线性系统控制方法引入到船舶运动和柴油主机控制中，深入研究深水中船舶航向、船舶直线航迹和浅水中船舶航向控制，并研究船舶运动与船舶柴油主机的联合控制。 为将LPV控制理论用于船舶运动与柴油主机的控制，本文建立了以船舶航速与吃水为变参数的船舶航向控制LPV模型、以主机转速与螺旋桨进速系数作变参数的主机转速LPV控制方程、以船速为变参数的欠驱动船舶直线航迹间接控制的制导环LPV控制方程、以船舶航速与船舶操纵指数为变参数的浅水域船舶航向控制LPV模型。 本文提出具有H_∞鲁棒性能连续变增益的LPV多胞输出反馈航向控制算法，实现了船舶航向变增益控制。根据切换LPV控制理论，提出了切换LPV的多胞输出反馈的船舶航向控制算法，将船舶速度划分为高速、低速两个区域分别设计控制律，根据船速选择控制器，保证航向在船速大范围变化时得到有效控制。在MMG船舶模型上的仿真结果验证了所设计的LPV控制器的有效性。 本文提出基于圆域极点配置的具有H_∞鲁棒性能的LPV多胞状态反馈控制器设计方法。综合考虑操舵和主机两方面的因素，将该设计方法应用于船舶航向与主机的联合控制。在此基础上，设计了船舶在大洋航行直线航迹间接控制的制导环控制器，实现船舶直线航迹与船舶主机联合控制。此外，考虑了浅水对船舶操纵的影响，设计了浅水域的LPV航向控制器，实现了浅水域的船舶航向与主机的联合控制。在非设计条件下和有风、浪、流干扰的海况下仿真验证了所设计控制器的有效性。 本文所提出的控制算法对实现船舶的综合节能优化控制，提高船舶系统的整体经济性，延长主动力装置工作寿命将具有重要意义。