船舶及潜艇操纵中的鲁棒控制研究

【摘要】： 本文运用鲁棒控制理论对船舶及潜艇操纵进行了系统的研究。内容包括四部分:海浪滤波器的设计、波浪中船舶航行的航向控制、舵减横摇控制系统设计以及潜艇空间运动控制。 首先,本文提出了一种新的基于扩张状态观测器的海浪滤波器设计方法。由于一阶波浪干扰通常位于船舶的伺服机构和执行机构的带宽之内,如果用船舶的舵或推进器对振荡的高频波激运动进行补偿,将会引起频繁操舵,但海浪滤波器通过将船舶的低频运动与由于一阶波浪激起的高频运动进行分离,避免这种情况的发生。 在船舶航向控制部分,首先探讨了一种简单、合理的波浪力计算方法,然后直接针对航向非线性方程运用自抗扰控制理论设计了一种鲁棒自动舵;同时,基于一阶K-T方程设计了变结构鲁棒自动舵。不同海况下的仿真结果表明:两种自动舵对系统参数摄动和外界干扰都具有很好的鲁棒性,且海浪滤波器在较大的范围内工作良好,避免了频繁操舵。 在舵减横摇控制系统部分。本文建立了一个包括横摇的四自由度运动模型,在此基础上,深入分析了舵减摇系统的响应及干扰特性,指出了横摇响应幅值的大小取决于遭遇频率与船舶横摇开环特性的相对位置。并且观察到船舶处于靠近横浪区域时,侧向水动力激起的横摇在比较宽的频率范围内都存在的现象。在此基础上,本文设计了两种舵减横摇控制系统,结果表明,在舵速不太高的情况下,两种算法均取得了很好的减摇效果,同时,航向也能保持。 在潜艇空间运动控制部分,本文运用解耦控制理论分析了潜艇垂直面上,深度及纵倾与艏、艉升降舵之间的耦合特性,得出了一些有益的结论。采用变结构控制分别设计了水平面航向控制,垂直面的纵倾控制。垂直面的深度控制采用含有跟踪微分器的自抗扰控制器的进行设计,避免了潜艇大机动变深时转换深度的确定。