基于模型预测控制自航耙吸挖泥船疏浚优化控制的研究

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1、分类号：U674.31密级：公开学号：092030066工学硕士学位论文基于模型预测控制的自航耙吸挖泥船疏浚优化控制研究学生姓名王湘指导教师杨奕飞江苏科技大学二O一二年三月AThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringApplicationStudyofMPConDredgingOptimizationofTrailingSuctionHopperDredgerSubmittedbyWangXiangSupervisedbyYangYi-

2、feiJiangsuUniversityofScienceandTechnologyMarch,2012江苏科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日2江苏科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门

3、或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于：(1)保密□，在年解密后适用本授权书。(2)不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日摘要摘要随着科技的不断进步，我国疏浚作业能力已取得长足发展，疏浚设备也随之得到更新。我国疏浚设备朝着大型化和自动化方面发展，但是对疏浚高效化方面还缺少研究，在现有的疏浚设备基础上提高疏浚性能、提升疏浚效率是我国疏浚事业亟待研究和发展的方向。基于此开展耙吸

4、挖泥船疏浚机理研究，探讨疏浚优化工况方法，对提高挖泥船疏浚效率具有重大意义。本课题从耙吸挖泥船疏浚机理出发，建立基于控制的耙吸挖泥船数学模型，通过对疏浚过程和生产效率的智能评估与分析，采用模型预测控制（MPC）技术，获取疏浚优化的最佳策略，实现在不同土质和不同疏浚装备工况条件下的优化控制。首先在考虑土壤等因素的影响条件下，论文建立基于控制的耙吸挖泥船挖掘装舱过程的数学模型，对耙头挖掘过程和泥舱沉积过程进行了机理分析与数学建模，并采用挖泥船实测数据对模型进行验证。验证结果表明模型具有很高的准确性，可用于MPC控制设计。其次在系统分析和研究挖泥船疏浚过

5、程的基础上，提出一种基于模型预测控制的在线疏浚优化的方法，优化的目的是使挖泥船在完整疏浚周期内的产量最大化。MPC控制器由数学模型、目标函数和优化器三个部分构成。疏浚优化过程是一个复杂的多系统耦合，多约束条件问题。本文将遗传算法运用于MPC控制器的优化器，使优化器能在大搜索空间中以相对较少的时间达到最优值，寻找到最佳的可控疏浚参数。然后采用“新海凤”号自航耙吸式挖泥船工程实测数据对该MPC控制器及其优化算法进行了仿真验证，并与现有控制技术进行性能比较，结果表明MPC优化方法能够使挖泥船的疏浚周期缩短10%～18%，周期产能提高10%。最后采用Lab

6、VIEW开发了基于MPC的疏浚优化控制系统人机界面。系统根据周期产量和时间效率对疏浚性能进行评估，给出历史最优疏浚周期以及与疏浚工况条件相适应的最优可控参数，以达到疏浚产量最大化，提高挖泥船的疏浚效率和性能。关键字：自航耙吸挖泥船；模型预测控制；疏浚优化；遗传算法；性能评估I江苏科技大学工学硕士学位论文IIAbstractAbstractWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,ourdredgingcausehasmadegreatprogressanddredgingequipmenthasal

7、sogotupdated.Greatprogresshasmadeindredgingequipmentintheaspectofitslargescaleandautomation,whilethehighefficiencyofdredgingisstilllackofstudy.Onthebasisofdredgingequipments,theimprovementofdredgingperformanceandelevatingdredgingefficiencyaretheaspectswhatourdredgingcauseshoul

8、dberesearchedanddeveloped.Researchonthemechanismoftrailingsuc