小水线面双体船纵向运动控制系统研究
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摘要
小水线面双体船(Small Water-Plane-Area Twin Hull,缩写SWATH)与常规单体船相比具有优良的耐波性。但是较小的水线面积导致纵倾恢复力矩减少,尤其在中高速时,由于作用在水下船体上的“MUNK”力矩的作用容易使船丧失纵向运动稳定性,最后使船失去正常航行能力或造成船舶颠覆。那么,必须采取一些措施来保证这个问题得到解决,至今为止,采用稳定鳍是最好的办法。本文正是基于此种状况下,用线性二次最优控制方法对小水线面双体船纵向运动控制系统的研究进行了一些尝试。
本文首先回顾了目前国内外小水线面双体船的发展现状及减摇措施现状,然后根据纵向运动切片法原理介绍了小水线面双体船运动方程的建立,接着论述了稳定鳍的选择与小水线面双体船运动稳性的关系,并在此基础上讨论了结合线性二次最优控制理论的纵向运动控制系统的设计与研究,并用Matlab进行了仿真,通过探讨权矩阵的选取规律及相关仿真结果可以看出,基于线性二次型最优控制算法优化得到的运动方程有很好的动态性能。另外,本文还尝试了用线性二次型高斯最优控制算法来对本系统进行优化设计,由于线性二次高斯最优控制考虑系统的随机输入噪声与随机量测噪声,故采用这种控制策略对解决二次型最优控制问题显然更具有实用性。
本文在线性二次最优控制设计中关于权矩阵的选取问题作了大量的试验与仿真分析,得到了关于权矩阵选取的一些基本规律。值得一提的是关于权矩阵的选取虽然是针对于小水线面双体船纵向运动控制系统的,但它的设计过程是独立于对象的,因此,在其它线性二次最优控制中关于权矩阵难以确定的场合,采用这种规律进行权矩阵的设计应该有一定的参考价值。
SWATH has a better seakeeping performance than traditional ships. But the trim counter rotating is always deduced, especially when ships are in high speed because of the small waterline areas. Furthermore, the 'MUNK' toque makes it easy to lose the stability, even lose the ability of navigation and commutation. In solving this problem, the application of fin stabilizer is a good way. The method of controlling the longitudinal motion of SWATH using LQG optimum is discussed.Domestic and oversea histories of anti-rolling measures and SWATH development are reviewed, and then the SWATH motion equations based on the longitudinal motion linear strip theory is introduced, and the relationship between the choice of fins and the stability of SWATH is discussed. Based on what are discussed above, the design and research about longitudinal motion control system combined with LQG optimum control theory are analyzed in detail, which are simulated by MATLAB. The principles in selecting weight matrix and the results of relevant simulation tell that the motion equations based on the LQG optimum control theory have very good dynamic performances. In addition, the theory of LQG quadratic gaussian optimum control is also discussed in application for the optimum design of this system. Since this method takes the random noise and random measuring noise in consideration, the control strategy developed is more practical in solving quadratic optimum control problems.With a lot of tests and simulation analyses from the weight matrix selection of quadratic optimum control design, the principles of selecting weight matrix are summed up. The quadratic optimum control design is object-independent, although the selection of weight matrix is longitudinal motion control systems oriented. So, when the weight matrix is hard to determine in the LQG quadratic optimum control, the principles developed to design weight matrix is also valuable for referencing.
本文首先回顾了目前国内外小水线面双体船的发展现状及减摇措施现状,然后根据纵向运动切片法原理介绍了小水线面双体船运动方程的建立,接着论述了稳定鳍的选择与小水线面双体船运动稳性的关系,并在此基础上讨论了结合线性二次最优控制理论的纵向运动控制系统的设计与研究,并用Matlab进行了仿真,通过探讨权矩阵的选取规律及相关仿真结果可以看出,基于线性二次型最优控制算法优化得到的运动方程有很好的动态性能。另外,本文还尝试了用线性二次型高斯最优控制算法来对本系统进行优化设计,由于线性二次高斯最优控制考虑系统的随机输入噪声与随机量测噪声,故采用这种控制策略对解决二次型最优控制问题显然更具有实用性。
本文在线性二次最优控制设计中关于权矩阵的选取问题作了大量的试验与仿真分析,得到了关于权矩阵选取的一些基本规律。值得一提的是关于权矩阵的选取虽然是针对于小水线面双体船纵向运动控制系统的,但它的设计过程是独立于对象的,因此,在其它线性二次最优控制中关于权矩阵难以确定的场合,采用这种规律进行权矩阵的设计应该有一定的参考价值。
SWATH has a better seakeeping performance than traditional ships. But the trim counter rotating is always deduced, especially when ships are in high speed because of the small waterline areas. Furthermore, the 'MUNK' toque makes it easy to lose the stability, even lose the ability of navigation and commutation. In solving this problem, the application of fin stabilizer is a good way. The method of controlling the longitudinal motion of SWATH using LQG optimum is discussed.Domestic and oversea histories of anti-rolling measures and SWATH development are reviewed, and then the SWATH motion equations based on the longitudinal motion linear strip theory is introduced, and the relationship between the choice of fins and the stability of SWATH is discussed. Based on what are discussed above, the design and research about longitudinal motion control system combined with LQG optimum control theory are analyzed in detail, which are simulated by MATLAB. The principles in selecting weight matrix and the results of relevant simulation tell that the motion equations based on the LQG optimum control theory have very good dynamic performances. In addition, the theory of LQG quadratic gaussian optimum control is also discussed in application for the optimum design of this system. Since this method takes the random noise and random measuring noise in consideration, the control strategy developed is more practical in solving quadratic optimum control problems.With a lot of tests and simulation analyses from the weight matrix selection of quadratic optimum control design, the principles of selecting weight matrix are summed up. The quadratic optimum control design is object-independent, although the selection of weight matrix is longitudinal motion control systems oriented. So, when the weight matrix is hard to determine in the LQG quadratic optimum control, the principles developed to design weight matrix is also valuable for referencing.
引文
[1] 黄鼎良.小水线面双体船性能原理.北京:国防工业出版社,1993
[2] 朱炳泉,胜爱国.小水线面双体船纵向运动控制系统的试验研究.中国船舶科学研究中心报告2005.
[3] 冯大奎.小水线面双体船阻力性能研究及船型优化:(硕士学位论文).武汉:华中科技大学,2004.
[4] 郑明,朱军.美、日、德三国大力开发和应用小水线面双体船做海上特种作业船.船舶,2000(6):8-14.
[5] 许辉.小水线面双体船粘性流数值计算:(硕士学位论文).武汉:武汉理工大学,2004.
[6] 郑莎莎,郑梓荫.小水线面双体船船体结构问题探讨.船舶工程,2005,Vol.27(1):12-18
[7] 陆剑梁,史一鸣.小水线面油田交通船“新世纪一号”的研究开发.船舶设计通讯,2004,N0.1(Serial N0.109).
[8] 缪国平.关于舵在尾斜浪和横浪中横摇衰减效果的理论研究.中国造船,1982(1):12-15.
[9] 胡启庸,魏纳新.舵减摇技术研究.中国造船,1996(5):25-31.
[10] 缪国平,朱文蔚等.舵减摇技术研究.中国造船,1991(1):39-46.
[11] 朱文蔚,缪国平等.舵减摇技术仿真.中国造船,1997(1):33-42.
[12] 费乃振,遥控自航船模舵减摇试验研究.中国造船,1998(2):49-52.
[13] 沈建清,陈家和.自适应准则的舵减摇控制系统的仿真研究.海军工程学院学报,1994(6):44-51.
[14] 高石敬史[日],曹国瑞译.论减摇鳍和舵的减摇效果.关西造船协会志,1978,12(171).
[15] 杨涵青译.横摇减摇装置选择方法研究.AD-AOl7655,1974.
[16] 金鸿章,王科俊.智能技术在船舶减摇鳍系统中的应用.北京:国防工业出版社,2003
[17] 杨盐生,贾欣乐.不确定系统得鲁棒控制及其应用.大连:大连海事大学出版社,2003.
[18] 许春新.穿浪双体船纵向运动综合控制技术研究:(硕士学位论文).哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004.
[19] 郭值学,肖袁根.自控SWATH模型水池试验.中国船舶科学研究中心报告,2005
[20] 刘志华,董文才.SWATH船纵向运动件能分析.海军工程大学学报.2004.16(6):110-114
[21] Zhu Bing-Quan, Guo Zhi-Xue. Research of longitudinal motion of SWATH. Beijing:China Ocean Press, 2003
[22] 戴遗山.舰船在波浪中运动的频域与时域势流理论.北京:国防工业出版社,1998
[23] 李积德.船舶耐波性.哈尔滨:船舶耐波性,1992.
[24] 叶葵.船舶舵减纵摇控制方法研究:(硕士学位论文).哈尔滨:哈尔滨工程大学.
[25] Lee C M. Theoretical Prediction of Motion of Small-Plane Area Bathesda:DTNSRDC, 1976.
[26] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. Modern Control Systems. Beijing:Higher Education Press, 2001.
[27] 刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真.北京:电子工业出版社,2003
[28] Tieli Li, Yan Lin, Zhuoshang Ji. Optimized SWATH From Design with High Speed and Seakeeping Performance[J]. Proceeding of The Fifteenth(2005)International Offshore and Polar Engineering Conference, ISBN 1-880653-64-8 (Set):ISSN 1098-6189 (Set)Vol. 4:785～792.
[29] 史一鸣.小水线面船姿态控制鳍面积分析研究.船舶工程,2004,26(5):29-32.
[30] 史一鸣,蒋志鹏,王文富.小水线面船约束模水动力试验.上海交通大学学报。2003,37(8).
[31] Robert H.Bishop.Labview Student Edition 6i.北京:电子工业出版社,2003.
[32] 张凯.Labview虚拟仪器工程设计与开发.北京:国防工业出版社,2004.
[33] 陈东.基于Labview步进电机PID控制系统设计.工业仪表与自动化装置,2005.1
[34] 陶永华.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社,2002.
[35] 王鸿钰.步进电机控制技术入门.上海:同济大学出版社,1989.
[36] 王划一,杨西侠.现代控制理论基础.北京:国防工业出版社,2004.
[37] 于长官.现代控制理论及应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 2005
[38] 黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京:国防工业出版社,2004.
[39] 阙宏志.线性系统理论.西安:西北工业大学出版社,1995.
[40] 何衍庆,姜捷,江艳君.控制系统分析、设计和应用——MATLAB语言的应用.北京:化学工业出版社,2003
[41] 高桂革,最优控制理论的发展与展望.上海电机学院学报,2005,Vol.8(3):33-35
[42] 刘培玉,葛斌,王金城.最优控制系统设计.大连:大连理工大学出版社,2003
[43] 钱伟康,方宗达.基于MATLAB的二级倒立摆控制系统设计方法[J].上海理工大学学报,2004,Vol.26:589-592.
[44] 王仲民,孙建军.基于LQR的倒立摆最优控制系统研究.工业仪表与自动化装置,2005(3),6-8.
[45] 叶建民,徐龙祥.基于LQR理论的电磁轴承控制系统鲁棒稳定性分析.机械工程与自动化,2005(3),18-21.
[46] 祝知富,曹克强.基于LQ最优控制理论的飞机刹车系统仿真研究.机床与液压,2005(1),138-140.
[47] 李国勇,谢克明.控制系统数字仿真与CAD.北京:电子工业出版社,2003.
[48] 陈虹丽,赵希人.船舶减纵摇控制的LQG方法研究.哈尔滨工程大学学报,2004,Vol.25(4):407-411
[2] 朱炳泉,胜爱国.小水线面双体船纵向运动控制系统的试验研究.中国船舶科学研究中心报告2005.
[3] 冯大奎.小水线面双体船阻力性能研究及船型优化:(硕士学位论文).武汉:华中科技大学,2004.
[4] 郑明,朱军.美、日、德三国大力开发和应用小水线面双体船做海上特种作业船.船舶,2000(6):8-14.
[5] 许辉.小水线面双体船粘性流数值计算:(硕士学位论文).武汉:武汉理工大学,2004.
[6] 郑莎莎,郑梓荫.小水线面双体船船体结构问题探讨.船舶工程,2005,Vol.27(1):12-18
[7] 陆剑梁,史一鸣.小水线面油田交通船“新世纪一号”的研究开发.船舶设计通讯,2004,N0.1(Serial N0.109).
[8] 缪国平.关于舵在尾斜浪和横浪中横摇衰减效果的理论研究.中国造船,1982(1):12-15.
[9] 胡启庸,魏纳新.舵减摇技术研究.中国造船,1996(5):25-31.
[10] 缪国平,朱文蔚等.舵减摇技术研究.中国造船,1991(1):39-46.
[11] 朱文蔚,缪国平等.舵减摇技术仿真.中国造船,1997(1):33-42.
[12] 费乃振,遥控自航船模舵减摇试验研究.中国造船,1998(2):49-52.
[13] 沈建清,陈家和.自适应准则的舵减摇控制系统的仿真研究.海军工程学院学报,1994(6):44-51.
[14] 高石敬史[日],曹国瑞译.论减摇鳍和舵的减摇效果.关西造船协会志,1978,12(171).
[15] 杨涵青译.横摇减摇装置选择方法研究.AD-AOl7655,1974.
[16] 金鸿章,王科俊.智能技术在船舶减摇鳍系统中的应用.北京:国防工业出版社,2003
[17] 杨盐生,贾欣乐.不确定系统得鲁棒控制及其应用.大连:大连海事大学出版社,2003.
[18] 许春新.穿浪双体船纵向运动综合控制技术研究:(硕士学位论文).哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004.
[19] 郭值学,肖袁根.自控SWATH模型水池试验.中国船舶科学研究中心报告,2005
[20] 刘志华,董文才.SWATH船纵向运动件能分析.海军工程大学学报.2004.16(6):110-114
[21] Zhu Bing-Quan, Guo Zhi-Xue. Research of longitudinal motion of SWATH. Beijing:China Ocean Press, 2003
[22] 戴遗山.舰船在波浪中运动的频域与时域势流理论.北京:国防工业出版社,1998
[23] 李积德.船舶耐波性.哈尔滨:船舶耐波性,1992.
[24] 叶葵.船舶舵减纵摇控制方法研究:(硕士学位论文).哈尔滨:哈尔滨工程大学.
[25] Lee C M. Theoretical Prediction of Motion of Small-Plane Area Bathesda:DTNSRDC, 1976.
[26] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. Modern Control Systems. Beijing:Higher Education Press, 2001.
[27] 刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真.北京:电子工业出版社,2003
[28] Tieli Li, Yan Lin, Zhuoshang Ji. Optimized SWATH From Design with High Speed and Seakeeping Performance[J]. Proceeding of The Fifteenth(2005)International Offshore and Polar Engineering Conference, ISBN 1-880653-64-8 (Set):ISSN 1098-6189 (Set)Vol. 4:785～792.
[29] 史一鸣.小水线面船姿态控制鳍面积分析研究.船舶工程,2004,26(5):29-32.
[30] 史一鸣,蒋志鹏,王文富.小水线面船约束模水动力试验.上海交通大学学报。2003,37(8).
[31] Robert H.Bishop.Labview Student Edition 6i.北京:电子工业出版社,2003.
[32] 张凯.Labview虚拟仪器工程设计与开发.北京:国防工业出版社,2004.
[33] 陈东.基于Labview步进电机PID控制系统设计.工业仪表与自动化装置,2005.1
[34] 陶永华.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社,2002.
[35] 王鸿钰.步进电机控制技术入门.上海:同济大学出版社,1989.
[36] 王划一,杨西侠.现代控制理论基础.北京:国防工业出版社,2004.
[37] 于长官.现代控制理论及应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 2005
[38] 黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京:国防工业出版社,2004.
[39] 阙宏志.线性系统理论.西安:西北工业大学出版社,1995.
[40] 何衍庆,姜捷,江艳君.控制系统分析、设计和应用——MATLAB语言的应用.北京:化学工业出版社,2003
[41] 高桂革,最优控制理论的发展与展望.上海电机学院学报,2005,Vol.8(3):33-35
[42] 刘培玉,葛斌,王金城.最优控制系统设计.大连:大连理工大学出版社,2003
[43] 钱伟康,方宗达.基于MATLAB的二级倒立摆控制系统设计方法[J].上海理工大学学报,2004,Vol.26:589-592.
[44] 王仲民,孙建军.基于LQR的倒立摆最优控制系统研究.工业仪表与自动化装置,2005(3),6-8.
[45] 叶建民,徐龙祥.基于LQR理论的电磁轴承控制系统鲁棒稳定性分析.机械工程与自动化,2005(3),18-21.
[46] 祝知富,曹克强.基于LQ最优控制理论的飞机刹车系统仿真研究.机床与液压,2005(1),138-140.
[47] 李国勇,谢克明.控制系统数字仿真与CAD.北京:电子工业出版社,2003.
[48] 陈虹丽,赵希人.船舶减纵摇控制的LQG方法研究.哈尔滨工程大学学报,2004,Vol.25(4):407-411