發(fā)布時(shí)間：2020-08-21 05:48

【摘要】：為了解決欠驅(qū)動(dòng)船舶港內(nèi)操縱時(shí)受限水域、不確定數(shù)學(xué)模型、相對(duì)較強(qiáng)環(huán)境擾動(dòng)下自動(dòng)靠泊控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題,本文以“船舶自動(dòng)靠泊簡捷非線性魯棒控制”為選題,充分考慮航海實(shí)踐的要求,進(jìn)行系統(tǒng)性的理論探索研究。期望為船舶靠泊輔助支持系統(tǒng)或智能船舶全航線自動(dòng)控制提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐,從而進(jìn)一步提高靠泊效率,降低安全風(fēng)險(xiǎn)。本文分別針對(duì)船舶自動(dòng)靠泊控制任務(wù)中的港內(nèi)操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、控制理論算法、控制工程應(yīng)用3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行深入探究,采用“簡捷”+“魯棒”+“自適應(yīng)”的技術(shù)路線,即控制律要簡捷、有效,易于工程實(shí)現(xiàn),控制器能夠在外界環(huán)境擾動(dòng)和模型參數(shù)攝動(dòng)有界條件下具有魯棒性,在擾動(dòng)和模型參數(shù)不確定下具有適應(yīng)性。目標(biāo)是通過解決船舶港內(nèi)靠泊操縱控制中所涉及的幾個(gè)難題,實(shí)現(xiàn)考慮船舶控制工程實(shí)踐需求(執(zhí)行器輸入飽和、算法實(shí)時(shí)性等)的自動(dòng)靠泊控制。本文首先針對(duì)船舶港內(nèi)操縱時(shí)操控性和連貫性能變差,存在低速、大漂角運(yùn)動(dòng),且風(fēng)、流等干擾相對(duì)增大的特點(diǎn),充分考慮淺水、低速、風(fēng)、流等港內(nèi)環(huán)境,以及船體、舵、槳等各部分的相互干擾和倒車特性,以應(yīng)用廣泛的右旋單槳船為研究對(duì)象,進(jìn)行模型優(yōu)化和參數(shù)修正,并利用三次樣條插值算法對(duì)在常速域(漂角小于20°)與低速域(漂角大于30°)之間的過渡速域的流體力進(jìn)行了計(jì)算,給出了一種適用于船舶港內(nèi)操縱的、考慮右旋單槳倒車特性的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。最后通過對(duì)某液化氣(LPG)船的仿真試驗(yàn)(旋回試驗(yàn)、Z型試驗(yàn)、停船試驗(yàn)、淺水試驗(yàn)、低速試驗(yàn)),驗(yàn)證所建模型的有效性。在控制算法方面,針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)船舶自動(dòng)靠泊控制中模型動(dòng)態(tài)不確定和有界擾動(dòng)未知等問題,采用附加控制方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,解決了欠驅(qū)動(dòng)問題,并利用航海動(dòng)態(tài)深度信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)方法重構(gòu)不確定的模型動(dòng)態(tài)與未知擾動(dòng);針對(duì)港內(nèi)螺旋槳非定常轉(zhuǎn)速下航向保持控制問題,通過非線性環(huán)節(jié)來構(gòu)造狀態(tài)反饋或輸出反饋的反饋(或修飾)方式,提出了基于非線性函數(shù)驅(qū)動(dòng)的簡捷非線性反饋和非線性修飾算法,并利用李雅普諾夫直接法及閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)分析法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在工程應(yīng)用方面,為了加強(qiáng)船舶港內(nèi)操縱與控制的安全性(從減小舵幅和舵機(jī)的負(fù)荷角度考慮),利用易于工程實(shí)踐的閉環(huán)增益成形算法設(shè)計(jì)PID控制參數(shù),選取雙極性S函數(shù)驅(qū)動(dòng)的非線性反饋技術(shù)設(shè)計(jì)控制器;為解決多參數(shù)自動(dòng)靠泊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的計(jì)算負(fù)荷問題,提出一種考慮靠泊實(shí)踐要求的簡捷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法,該方法通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)和有效信息提取頻率,減少了計(jì)算維數(shù);為解決自動(dòng)靠泊自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算負(fù)荷大的問題,在考慮到舵、槳執(zhí)行器的輸入飽和的基礎(chǔ)上,利用動(dòng)態(tài)面(DSC)技術(shù)與最小學(xué)習(xí)參數(shù)(MLP)的方法降低計(jì)算負(fù)載度,易于工程實(shí)現(xiàn)。本文所有實(shí)驗(yàn)采用Matlab/Simulink編程實(shí)現(xiàn),驗(yàn)證了控制器設(shè)計(jì)方法的有效性。該研究對(duì)于推進(jìn)高技術(shù)船舶制造業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,為建設(shè)低碳、節(jié)能、環(huán)保和安全的海上交通運(yùn)輸?shù)於酥匾睦碚摶A(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U664.82
【圖文】：

第１章緒論不會(huì)壓向泊位方向，故不必?fù)?dān)心由于橫距太小而碰撞碼頭的問題，但由，需要提前帶好拖輪、擺好船位、控制好抵泊角度，流越急越需要盡可。值得注意的是抵泊角度太大，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)舷正橫方向橫向水動(dòng)力過大，邊島礁壓去，甚至利用兩條拖輪全速頂推都難以克服，這是該港靠泊的１］。逡逑

比較典型的靠泊港還有京唐港［２５］、上海洋山申港［２６］、煙臺(tái)港［２７］等等，在此逡逑不做一一贅述。逡逑根據(jù)以上分析，可總結(jié)出如圖１．３所示的航海信息多輸入多輸出（ＭＭＯ，邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ逡逑Ｉｎｐｕｔ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ｏｕｔｐｕｔ）的船長靠泊模型。根據(jù)文獻(xiàn)綜述及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出靠泊的關(guān)鍵是逡逑靈活運(yùn)用靠泊三要素，減少橫向千擾力（包括正橫風(fēng)、流干擾等），使船舶靠泊達(dá)到所逡逑期望路徑的位形和姿態(tài)（包括靠泊可控、靠泊位置準(zhǔn)確且無超調(diào)、靠泊后各自由度速度逡逑為零）。也就是說，不論靠泊條件如何（包括吹開風(fēng)、吹攏風(fēng)、頂流、順流、開流和攏逡逑流），整個(gè)靠泊過程中要有足夠的轉(zhuǎn)船力矩和動(dòng)力，減少橫向干擾力，確保船舶按照所逡逑期望的靠泊計(jì)劃步步推進(jìn)，直到安全地靠妥碼頭。逡逑邐Ｈ環(huán)境擾動(dòng)｜邐逡逑靠泊方案逡逑邐邐邋邐ｙ邐ｆｓ＾—邐逡逑Ｉ邋ｔ逡逑？ｈ港口信息ｉ廣叫 逡逑Ｌ－邋－邋－＿一－１反饋彳ｇ號(hào)逡逑圖１．３多輸入多輸出（ＭＩＭＯ）的船長靠泊模型逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋ＭＩＭＯ邋ｍａｓｔｅｒ邋ｂｅｒｔｈｉｎｇ邋ｍｏｄｅｌ逡逑１．３船舶自動(dòng)靠泊控制研究現(xiàn)狀逡逑自動(dòng)靠泊控制研宄始于２０世紀(jì)９０年代初，屬于ＭＩＭＯ控制問題。到目前為止，逡逑該研宄主要依靠人的經(jīng)驗(yàn)和精確的控制算法［２８］。由于自動(dòng)靠泊問題涉及船舶在淺水中的逡逑低速運(yùn)動(dòng)，風(fēng)、浪、流干擾相對(duì)增大，系統(tǒng)信息量增多，操縱和控制更趨困難［７］。因此，逡逑船舶自動(dòng)靠泊已成為船舶運(yùn)動(dòng)控制中的一個(gè)亟待解決的難題。其所隱含的科學(xué)問題是研逡逑宄受限水域、不確定數(shù)學(xué)模型、較強(qiáng)環(huán)境擾動(dòng)下的船舶操縱及定位控制［２９］。近年來

圖１．４利用船纜的自動(dòng)靠泊系統(tǒng)船模試驗(yàn)圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｓｈｉｐ邋ｍｏｄｅｌ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ａｕｔｏｍａｔｉｃ邋ｂｅｒｔｈｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｕｓｉｎｇ邋ｍｏｏｒｉｎｇ邋ｌｉｎｅｓ逡逑２０１７年Ｙａｎｇ等［５４］人設(shè)計(jì)了一種船基絞纜控制裝置（如圖１．４所示），可實(shí)現(xiàn)利用逡逑艏艉部兩根纜繩進(jìn)行平行靠泊，整個(gè)系統(tǒng)采用鍵合圖法進(jìn)行系統(tǒng)建模，利用非接觸式超逡逑－１６－逡逑

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本文編號(hào)：2799007