基于H∞设计法的非线性舵鳍联合控制系统仿真研究

建立了首摇、横荡、横摇三个自由度的船舶运动方程。给出了随机海浪波高、横荡力、横摇力矩、艏摇力矩的仿真算法。介绍了干扰抑制的H^∞线性系统设计方法。把非线性船舶舵鳍联合控制系统设计问题化为以二次型性能指标为目标函数的干扰抑制的H^∞线性系统设计问题；基于H^∞系统设计方法，进行舵鳍联合控制系统的设计。并用MATLAB语言完成了控制器的设计与仿真，仿真结果表明基于H^∞设计法的舵鳍联合控制器在保证航向控制的同时，达到较高的减摇效果。     

可控被动式减摇水舱的建模与仿真

通过对气体的受力分析，推导了气阀的控制方程。在查德惠克U型被动式减摇水舱理论的基础上，建立了“船舶一可控被动式减摇水舱”系统的数学模型。研究了气阀最佳控制策略的理论依据，并运用常规控制策略和最佳控制策略对规则波和不规则波作用下的“船舶一可控被动式减摇水舱”系统进行了仿真研究。仿真结果表明，采用最佳控制策略对气阀进行控制，能够取得理想的减摇效果。可控被动式减摇水舱只要控制气阀的时机得当，在非谐摇区尤其是低频段区域能有效地减小船舶的横摇运动，比被动式减摇水舱有更宽的减摇范围。     

基于L2增益控制律的船舶横摇抑制研究

根据单框架控制力矩陀螺动力特性,设计船舶横摇抑制装置,建立一船舶随机波浪干扰下横摇运动与控制力矩陀螺耦合非线性动力学方程,采用输入输出线性化技术及反步控制方法,设计抑制船舶横摇的非线性L2增益控制器,在控制律中引入陀螺进动恢复力矩项,将进动角约束在一定范围内,从而避免控制装置力矩输出奇异性的发生。通过对实船横摇运动数值仿真,研究表明所提出的船舶非线性横摇抑制装置具有优良的减摇性能,修正后的L2增益控制器对船舶随机波浪激励具有良好的抗干扰能力和抑制陀螺输出奇异能力。     

基于π型舵船舶减纵摇广义预测控制研究

针对π型舵船舶减纵摇问题,建立了船舶舵减纵摇状态空间数学模型,基于广义预测控制理论,经过适当简化,推导出一种用于π型舵船舶减纵摇状态空间模型的输出多步预测和广义预测控制律并进行仿真研究。对于白噪声干扰情况,利用线性Kalman滤波器估计系统状态,以水翼艇为研究对象进行了仿真。仿真结果表明:有效可行、简便实用并具有良好的参数鲁棒性,获得了良好的减纵摇控制效果。     

基于反馈线性化的船舶舵鳍联合减摇MPC控制

针对船舶运动系统具有非线性、强耦合、多变量等特性,并考虑海洋环境对船舶运动影响,建立了一个能够比较全面反映船舶运动本质特性的四自由度(纵荡、横荡、横摇、艏摇)运动非线性数学模型,基于模型预测控制是一种在控制领域得到实际应用的多变量优化控制策略,设计了基于反馈线性化的船舶舵鳍联合减摇模型预测控制(MPC)系统。在不同海情下,完成了横摇与航向联合控制仿真实验,结果表明：该控制方法鲁棒性强,既能实现精确的航向控制又能得到良好的减摇效果。     

顺馈-反馈技术在船舶姿态控制中的应用

重点研究了两对鳍的船舶减摇模型的控制优化问题.现有的两对鳍船舶减摇模型中,前鳍对后鳍的严重的水动力干扰问题一直没有得到有效的解决.根据无干扰后鳍静态水动力特性曲线,对后鳍随动系统进行了改进,提出基于顺馈-反馈控制的两对鳍船舶减摇控制的优化模型,并通过simulink对两对鳍的船舶减摇控制优化模型进行了计算机仿真.仿真结果表明,该方法有效补偿了后鳍有效鳍角的损失,提高了后鳍的升力,使后鳍升力在有无前鳍干扰时保持了一致,有效的解决了前鳍对后鳍的严重水动力干扰问题.     

基于小波变换和ANFIS模型的不规则海浪组合预报

利用小波变换对不规则海浪进行多尺度一维小波分解与重构,得到相对简单、规则的准周期分量信号,然后建立了各信号的多输入、单输出自适应神经模糊推理系统(ANFIS)预报模型,最后对预报结果进行集成。基于Matlab语言的仿真结果表明,该方法不仅降低了预报的难度,而且具有较高的预报精确度。此方法亦可用于船舶横摇、纵摇、艏摇运动的预报。     

利用航向舵减横摇控制研究

介绍利用航向舵减横摇的基本原理，建立船舶横向运动的系统模型及测量模型，基于有理谱理论，利用最小二乘法建立船舶受扰力及力矩的成形滤波器及状态方程，利用卡尔曼滤波对扩展系统状态进行最优估计，以二次型性能为指标构造随机最优控制律。在典型航行工况下进行了系统仿真，仿真结果表明，该方法可取得明显的减摇效果，其中减横摇效果可达70％以上，减艏摇效果可达50％以上。因此该方法具有一定的实用价值。     

基于误差反传小波神经网络的船舶横摇时间序列预报

结合小波分析和神经网络的特点，建立了应用于船舶横摇运动时间序列预报的误差反传小波神经网络结构并给出了算法。作者利用多输入、单输出小波神经网络预报模型进行了仿真，取得了良好的仿真效果。此方法不仅可应用于横摇运动时间序列预报，亦可用于纵摇、艏摇的时间序列预报。     

基于斜舵船舶减横摇LQG控制研究

研究基于斜舵船舶减横摇问题,建立了船舶基于斜舵横向运动状态空间数学模型,用递推最小二乘法对海浪扰动进行建模.将扰动模型与原来的系统模型合并为新的系统模型,并引入白噪声作为系统干扰.对扩展后的新系统,运用线性二次高斯(LQG)控制方法计算出扩展Kalman滤波增益阵和扩展随机最优控制增益阵.另外通过仿真给出了斜舵的倾斜角度对减横摇效果的影响.仿真结果表明,基于斜舵利用经典的LQG控制方法实现船舶减横摇控制是可行的.     

船舶运动控制虚拟现实交互式仿真系统

提出并生成一种应用虚拟现实技术,可使仿真过程可视化的船舶运动控制交互式仿真系统。它使研究者可以在实验室环境下更好地研究船舶航向,航迹,减摇等船舶运动控制系统,直接获得系统的动态和静态特性,实现实时跟踪和监控船舶运动控制多种算法的可视化仿真过程。     

船舶运动控制硬件在环仿真系统的研究

目前众多学者致力于将当前先进的控制理论应用到船舶运动控制领域,但在实际船舶上验证这些先进的控制算法面临很多困难,为此,设计并实现一套船舶运动控制硬件在环仿真系统。该系统包括船舶运动DSP控制器,船舶运动仿真系统,控制与监测系统三部分,对相关硬件电路和软件设计进行了研究。系统测试结果表明该系统性能良好,为在实验室环境下进行船舶运动控制算法研究和船舶运动控制器开发提供了一个有效的测试平台。

Abstract：

Many scholars devote to applying current advanced control theories to the ship motion control.However,there are many difficulties in verifying the performance of the control theories.In the view of this contradiction,a hardware-in-loop simulation system for ship motion control was designed,which includes ship motion controller based on DSP,ship motion simulation system,and control-monitoring system.The relative design of hardware and software was discussed.The simulation results show that the proposed hardware-in-loop simulation system has satisfactory performance and it can provide an effective test platform for the study of the ship motion control theories and the development of the ship motion controller in the laboratory environment.     

非对称变后掠柔性后缘飞机滚转控制分配研究

以往研究已经证明机翼后掠角和后缘弯度的单独改变均可增强飞行器的机动性,探究将后掠角作为冗余控制器后飞机滚转运动收敛特性问题。首先利用计算流体力学方法,探讨了后掠角非对称变化对气动特性的影响规律,建立了不同工况下研究对象飞机后掠角、柔性后缘两种广义操纵面的操纵效能函数。其次综合Kane方法建立的稳定滚转子系统动力学模型,在考虑飞机阻尼力矩影响下,确定了监督控制器-主控制器控制架构下系统主、从控制器控制律。最后将后掠角非对称偏转作为系统冗余控制输入,以操纵面偏转速率为特征量,分析了不同工况下后掠角非对称变化对飞行器稳定滚转运动收敛特性的影响。通过分析可知,采用冗余操纵面设计,可有效增大滚转控制力矩,避免操纵面进入饱和状态,提升飞机整体控制效能。通过两种工况下的仿真结果可知,后掠角操纵面可增强系统容错能力、提升高升力下飞机操纵性能,但会增大系统达到稳定所需的时间。     

不确定非线性系统变结构模糊自适应鲁棒控制

考虑一类不确定非线性系统的鲁棒控制器设计问题,在假设系统不确定性函数结构未知的情况下,利用模糊系统对不确定性函数进行逼近,将获得的模糊系统函数作为系统不确定性界函数。在此基础上,提出了一种变结构模糊自适应鲁棒控制算法,该算法在确保系统的滑动模态超平面为渐近可达的前提下,在线对系统模型的控制增益参数和不确定性函数的界参数进行估计。最后以船舶减摇鳍非线性控制系统为例,进行了变结构鲁棒自适应模糊控制器的设计。仿真研究表明,所提出的算法是有效的。     

船舶运动航向自适应非线性控制的仿真研究

针对参数未知的船舶航向非线性控制系统数学模型，考虑船舶操舵伺服机构特性的情况下，船舶航向控制问题成一个虚拟控制系数未知的非匹配不确定非线性控制问题。引入Nussbaurrl函数，并采用逆推(backstepping）技术，成功地解决了上述困难，设计了船舶航向自适应非线性控制器；借助Lyapunov函数证明了所设计控制器使最终的闭环非匹配不确定船舶运动非线性系统中的所有信号有界，系统的实际航向自适应地保持设定航向。以大连海事大学“育龙”轮为例进行仿真研究，结果证明所设计的控制器是有效的。     

基于a&ω六自由度运动模型的船舶运动参数发生器

针对航海模拟器中船舶运动数学模型建立过程过于复杂、仿真的有效性难以验证的问题, 结合船舶自身机动特点设计了一种新的船舶运动参数发生器, 可生成航海模拟器所需的各船舶运动参数。首先, 在响应模型的基础上, 建立了基于线加速度和角速度(linear acceleration and angular velocity, a & ω)的船舶运动模型。然后, 通过船舶运动微分方程求解了船舶位置、速度、姿态、航向等运动参数信息。最后, 提出相似度评估指标并将其应用于基于实测数据的仿真的验证。仿真验证结果表明, 船舶运动参数发生器能有效地模拟船舶在多种机动状况下的运动, 各船舶运动参数的相似度均在80%以上, 是一种有效的航海模拟器的船舶运动模拟仿真研究方法。     

三自由度运动仿真平台设计及应用

详细介绍了船舶三自由度运动仿真平台的控制原理及硬件和软件的工程实现，硬件由运动平台和电控系统构成，电控系统是双闭环反馈控制系统，执行机构是伺服电机，输入信号由计算机中控制软件给出，编制不同的控制软件，平台可以仿真实船不同的运动历程，最后介绍了平台在船舶运动预报中的应用。     

雷达舰船目标HRRP成像视角参数估计

针对雷达舰船目标一维距离像敏感于姿态角,分析了成像视角对船长估计精度的影响,提出一种舰船成一维距离像视角参数估计方法,首先建立雷达舰船运动模型,对雷达跟踪数据预处理,并估计出目标的运动状态和航速,通过稳健回归估计方法进行二次曲线拟和,估计出舰船目标成像视角参数,通过本文方法估计的视角参数可用于基于高分辨距离像的舰船目标识别和船长估计中。经实测数据验证表明,估计出的视角平均误差小于5°,本文方法易于实践,具有较高的工程应用价值。