吊艙式電力推進控制.doc
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吊艙式電力推進控制,摘要吊艙式電力推進已經(jīng)成為世界造船業(yè)廣泛關(guān)注的一種新型推進方式，對吊艙推進系統(tǒng)的研究成為了當今船舶研究的熱點之一。吊艙推進器集推進裝置與回轉(zhuǎn)裝置于一體，加劇了船舶航速與航向之間的耦合作用，給船舶控制帶來了新問題。因此，研究吊艙船舶推進系統(tǒng)的控制方法具有重要意義。本文以吊艙式電力推進船舶為研究對象，開展了以下工作：首先，...
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摘 要
吊艙式電力推進已經(jīng)成為世界造船業(yè)廣泛關(guān)注的一種新型推進方式，對吊艙推進系統(tǒng)的研究成為了當今船舶研究的熱點之一。吊艙推進器集推進裝置與回轉(zhuǎn)裝置于一體，加劇了船舶航速與航向之間的耦合作用，給船舶控制帶來了新問題。因此，研究吊艙船舶推進系統(tǒng)的控制方法具有重要意義。
本文以吊艙式電力推進船舶為研究對象，開展了以下工作：
首先，研究了吊艙推進器的推進原理和推進控制系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)時標分離原則，提出一種吊艙推進船舶的航速與航向分離控制結(jié)構(gòu)，簡化了控制器的設(shè)計。提出了吊艙推力矢量模型及其具體計算方法，建立了以螺旋槳轉(zhuǎn)速和吊艙方位角為控制量的吊艙推進船舶一體化運動模型。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立仿真模塊，進行船舶回轉(zhuǎn)運動仿真和Z型運動仿真。仿真結(jié)果表明，所建立的模型能夠客觀的反映吊艙船舶的運動特性，為控制器的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
其次，設(shè)計了一種航速智能積分規(guī)則自調(diào)整模糊控制器，解決了常規(guī)模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度低和自適應(yīng)性差的問題，而且動態(tài)特性和魯棒性都優(yōu)于PID控制器；設(shè)計了一種航向飽和函數(shù)自適應(yīng)模糊滑?？刂破?，在削弱抖振的同時保持了良好的控制品質(zhì)，對船舶模型參數(shù)和環(huán)境干擾的不確定性具有很強的魯棒性。
最后，將航速控制器與航向控制器同時施加于吊艙船舶運動一體化模型，對航速與航向進行聯(lián)合控制仿真。仿真結(jié)果表明，聯(lián)合控制不僅能實現(xiàn)航向的快速無超調(diào)跟蹤，而且可以克服船舶轉(zhuǎn)向過程中的航速下降，在響應(yīng)時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度方面都優(yōu)于航向單獨控制的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 吊艙式電力推進；推力矢量；分離控制；模糊控制；滑模變結(jié)構(gòu)控制
Abstract
Podded electric propulsion has become a new propulsion mode that aroused wide concern among the world shipbuilding industry. Research on the podded propulsion system has become one of the central issues in ship study. Podded propulsion unit set propulsion device and rotary device as one, so the coupling effect between the ship speed and heading is exacerbated, which brought new problems for ship control. Therefore, studying podded propulsion control system is of great significance.
Taking podded electric propulsion ship as research object, this paper carries out following works:
Firstly, study the principle and control system structure of podded propulsion. Based on the time-scale separation principle, a dividable control structure of speed and heading is presented, which simplifies the controllers. The pod thrust vector model and its calculation method are proposed, an integration simulation model of the podded propulsion ship is established whose inputs are propeller speed and pod azimuth degree. In Matlab/Simulink environment, simulation module is built, and then the ship turning and Zigzag motion are simulated. Simulation results show that the model can reflect motion characteristics of the podded ship objectively and lay a good foundation of the controllers design.
Secondly, an intelligent integral rule self-adjusting speed fuzzy controller is designed, which solved the steady-state error and robustness issues of conventional fuzzy controller, and its dynamic performance and robustness are superior to PID controller. Designing adaptive fuzzy sliding mode heading controller weakens the chattering and maintains good control quality. The controller is robust to the considered uncertainties of ship model parameters and environment disturbances.
Finally, the speed controller and heading controller are simultaneously applied to the integration simulation model of the podded propulsion ship. Combined speed and heading control simulation results show that combined control not only achieves the rapid heading tracking with no overshoot, but overcomes the speed decline while the ship is turning, which is better than single control system in response time, overshoot and steady state accuracy.
Keywords podded electric propulsion; thrust vector; dividable control; fuzzy control; sliding mode control
目 錄
摘 要 I
Abstract III
第1章 緒 論 1
1.1 課題研究背景及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀綜述 1
1.2.1 吊艙推進器的研究概況 1
1.2.2 船舶航速和航向控制的研究概況 4
1.3 本文的主要工作及內(nèi)容安排 5
第2章 系統(tǒng)概述及整體控制方案 7
2.1 吊艙推進器的原理 7
2.2 推進系統(tǒng)半實物仿真 10
2.3 整體控制方案的提出 11
2.4 本章小結(jié) 13
第3章 吊艙推進船舶一體化運動模型 14
3.1 吊艙船舶運動方程 14
3.2 吊艙推力矢量模型 16
3.2.1 吊艙推力矢量 16
3.2.2 吊艙方位角調(diào)節(jié)模型 18
3.2.3 推進電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模型 18
3.3 裸船體力及力矩模型 18
3.3.1 慣性流體力及力矩 19
3.3.2 粘性流體力及力矩 19
3.4 船舶運動環(huán)境干擾模型 19
3.4.1 風(fēng)干擾力的模型 20
3.4.2 浪干擾力的模型 21
3.5 船舶運動響應(yīng)型模型 21
3.6 基于Simulink的船舶模型仿真 22
3.6.1 模型的建立 22
3.6.2 仿真與結(jié)果分析 24
3.7 本章小結(jié) 27
第4章 吊艙推進船舶的航速控制 28
4.1 模糊控制的基本原理 28
4.1.1 模糊控制系統(tǒng)的組成 28
4.1.2 模糊控制器設(shè)計的基本方法 29
4.2 航速模糊控制器設(shè)計 31
4.2.1 船舶航速控制系統(tǒng) 31
4.2.2 常規(guī)航速模糊控制器設(shè)計 31
4.3 改進的航速模糊控制器設(shè)計 33
4.3.1 常規(guī)模糊控制的缺陷 33
4.3.2 智能積分的引入 33
4.3.3 規(guī)則自調(diào)整因子的引入 34
4.4 航速模糊控制系統(tǒng)仿真 35
4.4.1 航速模糊控制器的仿真 35
4.4.2 無環(huán)境干..
吊艙式電力推進已經(jīng)成為世界造船業(yè)廣泛關(guān)注的一種新型推進方式，對吊艙推進系統(tǒng)的研究成為了當今船舶研究的熱點之一。吊艙推進器集推進裝置與回轉(zhuǎn)裝置于一體，加劇了船舶航速與航向之間的耦合作用，給船舶控制帶來了新問題。因此，研究吊艙船舶推進系統(tǒng)的控制方法具有重要意義。
本文以吊艙式電力推進船舶為研究對象，開展了以下工作：
首先，研究了吊艙推進器的推進原理和推進控制系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)時標分離原則，提出一種吊艙推進船舶的航速與航向分離控制結(jié)構(gòu)，簡化了控制器的設(shè)計。提出了吊艙推力矢量模型及其具體計算方法，建立了以螺旋槳轉(zhuǎn)速和吊艙方位角為控制量的吊艙推進船舶一體化運動模型。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立仿真模塊，進行船舶回轉(zhuǎn)運動仿真和Z型運動仿真。仿真結(jié)果表明，所建立的模型能夠客觀的反映吊艙船舶的運動特性，為控制器的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
其次，設(shè)計了一種航速智能積分規(guī)則自調(diào)整模糊控制器，解決了常規(guī)模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度低和自適應(yīng)性差的問題，而且動態(tài)特性和魯棒性都優(yōu)于PID控制器；設(shè)計了一種航向飽和函數(shù)自適應(yīng)模糊滑?？刂破?，在削弱抖振的同時保持了良好的控制品質(zhì)，對船舶模型參數(shù)和環(huán)境干擾的不確定性具有很強的魯棒性。
最后，將航速控制器與航向控制器同時施加于吊艙船舶運動一體化模型，對航速與航向進行聯(lián)合控制仿真。仿真結(jié)果表明，聯(lián)合控制不僅能實現(xiàn)航向的快速無超調(diào)跟蹤，而且可以克服船舶轉(zhuǎn)向過程中的航速下降，在響應(yīng)時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度方面都優(yōu)于航向單獨控制的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 吊艙式電力推進；推力矢量；分離控制；模糊控制；滑模變結(jié)構(gòu)控制
Abstract
Podded electric propulsion has become a new propulsion mode that aroused wide concern among the world shipbuilding industry. Research on the podded propulsion system has become one of the central issues in ship study. Podded propulsion unit set propulsion device and rotary device as one, so the coupling effect between the ship speed and heading is exacerbated, which brought new problems for ship control. Therefore, studying podded propulsion control system is of great significance.
Taking podded electric propulsion ship as research object, this paper carries out following works:
Firstly, study the principle and control system structure of podded propulsion. Based on the time-scale separation principle, a dividable control structure of speed and heading is presented, which simplifies the controllers. The pod thrust vector model and its calculation method are proposed, an integration simulation model of the podded propulsion ship is established whose inputs are propeller speed and pod azimuth degree. In Matlab/Simulink environment, simulation module is built, and then the ship turning and Zigzag motion are simulated. Simulation results show that the model can reflect motion characteristics of the podded ship objectively and lay a good foundation of the controllers design.
Secondly, an intelligent integral rule self-adjusting speed fuzzy controller is designed, which solved the steady-state error and robustness issues of conventional fuzzy controller, and its dynamic performance and robustness are superior to PID controller. Designing adaptive fuzzy sliding mode heading controller weakens the chattering and maintains good control quality. The controller is robust to the considered uncertainties of ship model parameters and environment disturbances.
Finally, the speed controller and heading controller are simultaneously applied to the integration simulation model of the podded propulsion ship. Combined speed and heading control simulation results show that combined control not only achieves the rapid heading tracking with no overshoot, but overcomes the speed decline while the ship is turning, which is better than single control system in response time, overshoot and steady state accuracy.
Keywords podded electric propulsion; thrust vector; dividable control; fuzzy control; sliding mode control
目 錄
摘 要 I
Abstract III
第1章 緒 論 1
1.1 課題研究背景及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀綜述 1
1.2.1 吊艙推進器的研究概況 1
1.2.2 船舶航速和航向控制的研究概況 4
1.3 本文的主要工作及內(nèi)容安排 5
第2章 系統(tǒng)概述及整體控制方案 7
2.1 吊艙推進器的原理 7
2.2 推進系統(tǒng)半實物仿真 10
2.3 整體控制方案的提出 11
2.4 本章小結(jié) 13
第3章 吊艙推進船舶一體化運動模型 14
3.1 吊艙船舶運動方程 14
3.2 吊艙推力矢量模型 16
3.2.1 吊艙推力矢量 16
3.2.2 吊艙方位角調(diào)節(jié)模型 18
3.2.3 推進電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模型 18
3.3 裸船體力及力矩模型 18
3.3.1 慣性流體力及力矩 19
3.3.2 粘性流體力及力矩 19
3.4 船舶運動環(huán)境干擾模型 19
3.4.1 風(fēng)干擾力的模型 20
3.4.2 浪干擾力的模型 21
3.5 船舶運動響應(yīng)型模型 21
3.6 基于Simulink的船舶模型仿真 22
3.6.1 模型的建立 22
3.6.2 仿真與結(jié)果分析 24
3.7 本章小結(jié) 27
第4章 吊艙推進船舶的航速控制 28
4.1 模糊控制的基本原理 28
4.1.1 模糊控制系統(tǒng)的組成 28
4.1.2 模糊控制器設(shè)計的基本方法 29
4.2 航速模糊控制器設(shè)計 31
4.2.1 船舶航速控制系統(tǒng) 31
4.2.2 常規(guī)航速模糊控制器設(shè)計 31
4.3 改進的航速模糊控制器設(shè)計 33
4.3.1 常規(guī)模糊控制的缺陷 33
4.3.2 智能積分的引入 33
4.3.3 規(guī)則自調(diào)整因子的引入 34
4.4 航速模糊控制系統(tǒng)仿真 35
4.4.1 航速模糊控制器的仿真 35
4.4.2 無環(huán)境干..
