船舶舵阻摇系统的研究

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要船舶阻摇是船舶与海洋工程的重要课题之一。船舶运动是一个非常复杂的运动，由于受到海浪、海风及其他干扰的影响，产生六自由度运动。在恶劣的海况条件下，对舰船的海上作业造成很大的安全隐患。本文介绍了舵阻摇的基本原理，基于切片理论建立了横荡、横摇与艏摇相互耦合的船舶横向运动方程以及垂荡与纵摇耦合的两自由度船舶纵向运动方程。建立了海浪扰动成型滤波器，对海浪扰动力及扰动力矩进行了建模。将海浪扰动成型滤波器作为船舶运动系统的一部分，建立了船舶增广运动方程。通过对舵阻摇的研究，许多研究者发现，船舶模型参数的不确定性成为影响舵阻摇技术的关键所在。本

2、文首先采用PID控制方法进行控制，在MATLAB软件中运用simulink工具箱对其进行仿真，得到的仿真曲线结果表明在某些条件下最大能达到53％的减摇效果，同时能较好的控制航向，甚至改善航向控制，艏摇角比未减摇前有时甚至更小。由于海浪扰动力及力矩无法测量，而我们却比较容易测得船舶的运动姿态，我们可以通过卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波等方法对海浪扰动力与力矩进行估计。采用Ⅱ型舵作为减摇装置，采用最优控制的方法控制。由于扰动输入模型不同，中间过程中被反馈的状态估计结果就不同，从而分为次优控制与最优控制。仿真比较后发现，最优控制效果优于次优控制效果。在系统扩展时，扩展

3、状态中不仅包含有系统状态，还包含了随机海浪扰动的信息，此时的扩展随机最优控制量包含了系统状态的负反馈以及随机海浪扰动的补偿；通过理论分析和仿真结果得出，对于舵阻摇系统，扩展随机最优控制优于经典随机最优控制。结果表明舵阻摇系统具有很大的实用价值。关键词：Ⅱ型舵；舵阻摇系统；PID控制；随机最优控制；卡尔曼滤波器哈尔滨工程大学硕士学位论文innI_ABSTRACTTheshipstabilizationisoneofanimportanttopicaboutshipandoceanstructure．Themotionofshipisaverycomplexmo

4、vement．Becauseofactionofoceanwave，windandtheotherinteractions，shippinghasmovementinsixdegrees．Inthebadseacondition，itwouldbringaboutprodigioussafehiddentroubleforship’Soperation．Itisintroducedtheprincipleofanti—rollingandanti-pitchingbyrudder．Basedonstriptheory,thispaperestablishes

5、thelatitudinalequationsoftheshippingcoupledswaying，rollingandyawing．Theshiplongitudinalmotioncoupledequationsaboutheavingandpitchingtwodegreeoffreedomisalsobuilt．Formingfilterofseadisturbanceisgiven，whichmodeledforthedisturbingforceandmomentofrandomsea．Formingfilterofseadisturbance

6、beingpartofshipmotionsystem，theshipaugmentingmotionequationsareestablished．Bystudyingrudderstabilization,manyinvestigatorfindthatthenondeterminacyofshipmodelaffecttheeffectofrudderstabilization．Firstly,usePIDcontrol，intheMATLABenvironment，simulationcurvesareobtainedbysimulinktoolbo

7、x．Fromtheresultitisshownthatundersomecircumstancetherollreductionratecallreach53％，atthesametimecontroItheheadingoftheship．Becauseitcouldnotmeasurewavedisturbanceofrealsystem，butwecouldgetshipmotionattitude，andestimatewavedisturbancebymeansoftwomethods：KalmanfilteringandextendedKalm

8、anfiltering．Using万typerudd