舰船航向—舵/翼舵智能协调控制研究

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舵/翼舵协调控制是改善船舶操纵性能行之有效的方法,目前工程中使用的舵和翼舵之间依靠导杆或齿轮传动,转角比为确定关系,因此未能充分发挥舵/翼舵的效能。本文提出将舵和翼舵作为两个相互独立的面进行控制设计的构想,并设计了船舶航向-舵/翼舵智能协调控制系统。首先,建立舵/翼舵水动力性能数学模型。对襟翼舵水动力系数图谱进行数据平滑,并根据平滑后的曲线的特征确定回归方程,采用最小二乘法对回归方程的系数进行拟合,得到襟翼舵水动力系数的计算模型,最后对该计算模型进行显著性检验,以确定其是否可以用于工程计算。其次,对船舶航向-舵/翼舵控制系统建模。基于动量定理、动量矩定理建立了船舶艏摇、横摇、横荡三自由度的运动方程,分析了船体所受外力(及力矩)的情况,主要包括流体动力、舵控制力及海浪、海风、海流的干扰力(及力矩),分别给出上述诸力及其产生力矩的计算模型。重点研究了系统驱动能量建模,为船舶航向-舵/翼舵智能协调控制系统的设计奠定了基础。然后,设计船舶航向-舵/翼舵智能协调控制系统。由于对应舵/翼舵上的一个扶正力矩值,有多种不同的舵角/翼舵角组合与之对应,本文研究给出舵角/翼舵角智能优化分配规则。设计了船舶航向模糊控制器,该过程主要包括定义模糊控制器的输入输出变量、输入输出变量的模糊化、模糊控制规则设计、模糊推理以及反模糊化等。最后,对所设计的控制系统进行仿真检验。对多种海情、不同遭遇角下的航行过程进行仿真,给出航向角、舵角、翼舵角的曲线以及统计值,并与普通舵和转角比确定的襟翼舵在PID控制和模糊控制方式下的情况进行比较,结果表明,该系统航向控制精度高,鲁棒性好,节能效果显著。
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