船舶波浪中操纵横摇预报及航向跟踪控制研究

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1、上海交通大学硕士学位论文船舶波浪中操纵横摇预报及航向跟踪控制研究硕士研究生：朱冬健学号：1120109189导师：马宁教授副导师：顾解忡副研究员申请学位：工学硕士学科：船舶与海洋工程所在单位：船舶海洋与建筑工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterStudyonShipManeuveringandRollingPredictionandCour

2、se-KeepingControlinWavesCandidate：ZhuDongjianStudentID:1120109189Supervisor：Prof.NingMaAssistantSupervisor:Prof.XieChongGuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringNavalArchitectureandOceanSpeciality：EngineeringSchoolofNavalArchitecture，OceanAffili

3、ation：andCivilEngineeringDateofDefence：Jan,2015egree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学硕士学位论文摘要为了海上航行的安全性和经济性需要，船舶在波浪中的操纵与控制一直是船舶理论界与航海控制界的研究热点。本文基于此研究背景分别从水动力模型和运动响应模型两个方面来研究船舶操纵性。水动力模型方面，利用MMG模型建立纵荡、横荡、艏摇和横摇四自由度耦合数学模型，根据统一理论思想在

4、操纵运动模型中加入耐波性横摇运动并进行波浪力的建模。利用数学模型对船舶在波浪中操纵性与横摇进行了数值模拟，同时开展了对象船模的自航模试验进行模型验证。结果显示运动模型预报的操纵和横摇结果具有可信性。验证模型预报有效性后分析了船舶在不同工况下的操纵性能、横摇特性及舵效，给出了波浪中操舵建议。运动响应模型方面，利用操纵方程推导得出非线性操舵转艏响应模型。考虑了航向控制中的三个难点：运动非线性；模型不确定性；机构执行问题。针对性地进行随机参数摄动、干扰建模，自适应模糊控制器设计，舵机伺服系统及物理约束

5、滤波器的设计。采用Simulink工具箱仿真了对象船模在不同期望航向、参数摄动和外界干扰下的控制效果，结果验证了控制器具有较好的稳定性、自适应性和抗干扰性，并将控制器用于不同船舶的航向控制，结果显示其具有较好的鲁棒性。I上海交通大学硕士学位论文关键词:波浪中操纵，MMG模型，自航模试验，航向跟踪，自适应模糊补偿控制，Lyapunov稳定性设计II上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTShipmaneuveringinwavesanditscontrolhasalwaysbeenaresearc

6、hfocusoftheshipsailingandcontroltheoristsforthepurposeofsafetyatseaandeconomicrequirements.Thispaperpresentsresearchworkonshipmaneuverabilityfromhydrodynamicmodelandmotionresponsemodelrespectivelybasedonthisengineeringbackground.Intheaspectofhydrodyn

7、amicmodel,acoupling4-DOFshipmathematicmodelconsideringmaneuveringmotionofsway,surge,yawandrollisestablishedbasedonMMGmodel.Therollmotionofsea-keepingisaddedintothemaneuveringfunctionwiththehelpofunifiedtheory.Numericalpredictionofshipmaneuveringandro

8、llinginwavesisconductedbyaddingthewaveforceintothecouplingmodelwhenthewaveforcemodelingiscompleted.ThenumericalresultsarecomparedwithFree-runningmodeltest,whichshowsthatthemaneuverabilityandrollingresultsofthecouplingmodelarecredible.Shipmaneuveringa