摘要
水面舰船在海洋中的运动由于受到波浪、海风和其它干扰的影响，会产生六个自由度的复杂运动，具有较强的随机性和非线性特性，这就导致了对船舶运动预报与减摇控制具有相当的困难。因此研究有关船舶运动的非线性预报与减摇控制方法具有非常重要的意义。
对于船舶运动的控制具有相当的不确定性，这就使其不可避免地存在模型参数变化、模型结构变化等问题，因此就要求所设计的控制系统具有一定的参数适应性和结构适应性，而多层递阶方法理论正适用于这种情况。
多层递阶理论是对非线性控制理论的丰富与发展。多层递阶辨识所得到的模型，有利于解决船舶运动预报问题。多层递阶控制进一步发展成为无模型自适应控制，有助于实现船舶运动的有效控制。
本论文首次将多层递阶理论应用于船舶运动的预报与减摇控制，提出了基于多层递阶方法理论的船舶运动预报与减摇控制方法。分别采用传统的自回归法和新型的多层递阶两种预报方法进行了仿真研究和对比分析，研究结果表明，自回归法因用固定参数模型预测一个时变参数系统的情况而致存在一定的局限性；多层递阶为时变参数模型，能较好地反映系统的非线性，时变特性，可以取得较精确的预报结果。
研究了高海情下不同船型、各种航态(不同海况、不同航速、不同航向)船舶横摇和纵摇运动规律，并进行了仿真分析。针对船舶横摇运动的复杂性，将无模型控制基本算法引入综合减摇装置控制器设计中。进行了鳍—被动水舱综合平衡系统控制器的设计研究，仿真结果表明：基于无模型控制器的减摇鳍—被动水舱综合平衡系统在高海情、全航速、全航向的条件下均有很好的减摇效果。
减摇水舱试验台架电液力矩伺服系统所采取的控制策略是否先进和有效是设计减摇水舱试验台架的关键，针对模型控制策略对非线性系统的控制在
The movement of ships which is affected by the disturbance such as sea wave and sea wind will give rise to six-dimension complex perturbation. Since the perturbation is stochastic and nonlinear, the movement prediction and anti-roll control are very difficult. So it is important to study ship movement nonlinear prediction and anti-roll control method.
The ship movement control is always uncertain, there are the problems of model parameter changing and model structure changing. In view of that, a control system which have the capability of parameter adaptation and structure adaptation should be designed, the multi-level recursive method can well cope with this situation.
The multi-level recursive (MR) method has greatly developed the study of the nonlinear control system and achieved accomplishments in both academic study and practical engineering. The multi-level method includes multi-level identification, multi-level prediction and multi-level control. The multi-level identification is used to identify the system model which helps ship movement prediction. The multi-level control has been developed into model free adaptive control (MFAC) for ship movement anti-roll control.
This dissertation first applies multi-level recursive method to the ship movement prediction and the ship anti-roll control .In this dissertation, the main study contents are:
putting forward ship movement prediction and ship anti-roll control based on MR (multi-level recursive) method.
Making further study to the MRP. Simulation comparing study is carried on by taking respectively the traditional AR method and the new type MR method to the same system. The results indicate that the AR method have its limitation to a certain extent resulting from using a fixed parameter model to predict a time changing parameter system. On the contrary, since the MR method use a time
引文
[1] 管光东．世界舰船发展史话．国防工业出版社，1993
[2] 谭晓寅．现代航空母舰．百家出版社，2003
[3] 赵希人，彭秀艳，沈艳，谢美萍．舰船运动极短期建模预报的研究现状．船舶工程．2002(3)：4-8页
[4] 沈艳．神经网络理论研究及在舰船运动预报中的应用．哈尔滨工程大学博士学位论文．2006：8-11页
[5] 许可建，刘维亭，朱志宇，张冰．船舶减摇控制方法综述．船舶．2004(5)：14-17页
[6] 杨成恩，田园等．船舶舵减摇技术的回顾与展望．世界海运．2002(4)：4-8页
[7] 赵为平．水面舰艇综合平衡系统研究．哈尔滨工程大学博士学位论文．2005：8-11页
[8] 张富民．船舶的横倾平衡系统．船舶．1997(4)：19-24页
[9] 郭大勇．减摇水舱台架试验及仿真方法研究．哈尔滨工程大学博士学位论文．2001：15-20页
[10] 韩志刚．多层递阶方法理论与应用进展．控制与决策．2001(2)：20-42页
[11] 韩志刚，蒋爱平，王洪桥著．自适应辨识预报与控制-多层递阶途径．哈尔滨：黑龙江教育出版社，1995：20-42页
[12] 陈翰馥．控制理论的现状及对它的期望．信息与控制．1995(12)：34～37P
[13] 韩京清．控制理论-模型论还是控制论[J]．系统科学与数学．1989，9(4)：328-335页
[14] 王春蔚．基于无模型自适应控制理论的局部入口匝道控制系统研究[D]．北京：北京交通大学硕士论文．2005
[15] 韩志刚．无模型控制器理论与应用进展．控制与决策．2001(2)：20-42页
[16] 蒋爱平，李秀英，韩志刚．从PID到无模型控制器．控制工程．2005(3)
[17] XU Jian-Xin, TAN Ying. Linear and nonloinear iterative learning control[M]. Berlin: Springer-Verlag, Lecture Notes in Control and Information Sciences??146, 2003.
[18] G. J. SILVA, A. DATTA, S. P. BHATTACHARYYA. New results on the synthesis of PID controllers[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2002, 47 (2): 241-252P
[19] 朱娟萍，侯忠生，熊丹．神经网络控制、无模型控制、PID控制仿真比较．系统仿真学报．2005(3)：19-22页
[20] SPALL J C. Model-free control of nonlinear stochastic systems with discrete-time measurements[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1998, 43(9):1198-1210P
[21] 李秀英，韩志刚．非线性系统辨识方法的新进展[J]．自动化技术与应用．2004(10)：5-7页
[22] 董继学．具有引导变量的多层递阶方法在八五五农场天气预报中的应用．黑龙江大学硕士学位论文．2003：15-20页
[23] 韩志刚．关于建模与自适应控制一体化途径[J]．自动化学报．2004 30(3)：13-16页
[24] 张铁柱，宋仁学，韩志刚．离散时间非线性系统线性化的泛模型方法．控制与决策．2002 17(2)：249-251页
[25] 汪国强，张铁柱等．无模型控制律基本形式的性质分析[J]．哈尔滨理工大学学报．2002，7(4)：81-83页
[26] 张铁柱．无模型控制的理论与应用研究．东北大学博士学位论文．2005：8-11页
[27] 韩志刚．无模型控制器的设计问题．控制工程．2002 9(3)：19-22页
[28] George E．P．Box．时间序列分析预测与控制北京：中国统计出版社，1997．9
[29] Peter J．Brockwell，Richard A．Davis著．田铮译．时间序列的理论与方法(第二版)[M]北京：高等教育出版社，海德堡：施普林格出版社，2004
[30] 赵希人著．随机过程应用．黑龙江：哈尔滨工程大学出版社，2003．5
[31] 李积德．船舶耐波性．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1992．7
[32] 陶尧森．船舶耐波性．上海交通大学出版社，1985[33] 邱宏安．随机海浪模型的建立及仿真分析．系统仿真学报．2000(5)：226-228页
[34] 邱大洪．波浪理论及其在工程中的应用．北京：高等教育出版社，1985
[35] 金鸿章，姚绪梁．船舶控制原理．哈尔滨工程大学出版社，2001
[36] 金鸿章，李国斌．船舶特种装置控制系统．北京，国防工业出版社，1995
[37] 樊社军．可控被动式减摇水舱的理论与设计．上海交通大学研究生论文．1990
[38] 金鸿章，赵为平．大型船舶综合减摇系统研究1中国造船．2005(1)
[39] 于萍，刘胜．基于H~∞设计方法的舵／鳍联合控制系统的仿真研究．系统仿真学报．2002(8)：1040-1045页
[40] 孟克勤．舰船减摇装置．机电设备．2000(3)：11-14页
[41] 金鸿章，赵为平，张文波，基于遗传算法的减摇鳍-被动水舱综合平衡系统的最优控制
[42] 郭大勇，李国斌．最优控制理论在电液力矩伺服系统中的应用研究．机床与液压．2002(2)
[43] 郭大勇，李国斌．基于摆动油缸的电液力矩伺服控制系统设计．机床与液压，2002(1)
[44] 赖志昌．U型减摇水舱及实验摇摆台的研究[博士学位论文]．哈尔滨：哈尔滨工程大学．2002
[45] 侯忠生著．非参数模型及其自适应控制理论．北京．科学出版社，1999
[46] 韩志刚．无模型控制器的应用[J]．控制工程，2002，Vol．9(4)，22-25页
[47] 韩志刚．无模型控制方法在化肥生产中的应用[J]．控制理论与应用，2004，21(6)：858-863页
[48] 韩志刚．无模型控制器理论与应用的进展[J]．自动化技术与应用．200423(2)13-16页
[49] 韩志刚．无模型控制器的应用．控制工程．2002 9(4)：22-25页
[50] 朱军．舰船静力学．长沙：国防科技大学出版社，2002．1
[51] 盛振邦，刘应中．船舶原理．上册、下册．上海：上海交通大学出版社，2003．
[52] 概率论与数理统计．第二版．浙江大学．1989[53] 林守利．随机海浪作用下船上物体保持水平的预测控制研究．沈阳工业大学．2004：8-21页
[54] Robert E. Krieger. Time series analysis,identification and adaptive filtering. Print in the United State of America,1989
[55] 吴广玉．系统辨识与自适应控制．黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1987．3
[56] 陈玉祥，张汉亚．预测技术与应用．北京：机械工业出版社，1985．8
[57] 朱文谱，陈碧云，胡震．船舶运动自适应TAR模型预报方法．船舶力学
[58] 侯煜堃，刘遂庆，陶涛．城市日用水量的自回归模型(AR)预测方法．河南科学．2004．04
[59] 何晓群．回归分析与经济数据建模．北京：中国人民大学出版社，1997
[60] 方开泰．实用回归分析．北京：科学出版社，1988
[61] 陈希孺，王松桂．近代回归分析．合肥：安徽教育出版社，1987
[62] 郑水波，韩正之，唐厚君，张勇．最小二乘支持向量机在汽车动态系统辨识中的应用．上海交通大学学报．2005．3
[63] Park PM. Rudder roll stabilization. Masters Thesis. NTIS Order No:ADA178773/8/GAR, 1986: 1-92P
[64] 减摇装置和INTERING防侧倾系统．Navires，Port et Chantiers．黄国荣译．1983(12)：36～38页
[65] 张虹．可控被动减摇水舱仿真及试验研究．哈尔滨工程大学博士学位论文．2005：18-21页
[66] 曲家文．船舶减摇水舱试验装置理论及试验研究．哈尔滨工程大学博士学位论文．2003：8-11页
[67] 冯铁城．船舶摇摆与操纵．国防工业出版社，1980
[68] 顾洁译．可控式被动减摇水舱和主动抗横倾系统相结合的原理和应用．船舶．1995(6)：21-30页
[69] 陶尧森等．减摇水舱的研究与进展．中国造船增刊—船舶耐波性专辑．1991：313-323页
[70] 冯铁城，陶尧森．可控被动式水舱研究．中国造船．1997(2)：8-14页
[71] 金鸿章，王科俊等．智能控制在船舶减摇鳍系统中的应用．国防工业出版社，2003[72] 刘少昌．减摇水舱试验台架的特性与实现研究．哈尔滨工程大学硕士论文．2004
[73] 王占林．液压伺服控制系统的动态设计．宇航学报．1986(3)
[74] 李福义．液压技术与液压伺服系统．哈尔滨工程大学出版社，1992
[75] 刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真．北京：电子工业出版社，2003
[76] 薛定宇．控制系统计算机辅助设计．北京：清华大学出版社，1996
[77] 刘豹．现代控制理论．机械工业出版社，2000
[78] 张晓华．控制系统数字仿真与CAD．机械工业出版社，1999
[79] Heel and roll stabilization. Shipping World & Shipbuilder, 1989(188):253-254P
[80] Effective roll stabilization. Shipping World & Shipbuilder, 1990(189): 15-16P
[81] Damping the roll around the world. The Naval Architect, 1996(9): 2-3P
[82] Comparing stabilization systems. Marine Engineers Review, 1993(10): 22～24P
[83] 杨燮庆，刘友勤．国外火车渡船技术现状及在我国的适用性探讨．船舶．1993(1)：19-31页
[84] 杨燮庆，沈永红，刘燕斐．国外测量船技术现状及其发展趋势．船舶．2000(3)：6-14页
[85] 姚慧丽译．渔船上使用减摇水舱经济效益的评估．中外船舶科技．1994(3)：35-38页
[86] 植木修次等[日]．船舶减摇装置当前动向．渔船．1997(327)：29-43页
[87] Bass D W. Roll stabilization for small fishing vessels using paravanes and anti-rolling tanks. Marine Technology. Vol.35, No.2, 1998 (4): 74-84P
[88] 曲广善．我国渔船的发展与展望．船舶．2000(4)：6-10页
[89] 魏东升，奚祖声，汪希龄译．勃拉哥维辛斯基C．H．船舶摇摆．北京：高等教育出版社，1959
[90] Miller E R, Clager J J, Webster W C. Development of technical practice for roll stabilization system selection. NAVSEC Report 6136-74-250. ADA017655, 1974[91] Cox G G, Lloyd A R. Hydrodynamic design basis for navy ship roll motion stabilization. SNAME Transactions. 1977(85): 51-88P
[92] Chadwick J H. The anti-roll stabilization of ships by means of activated tanks. Technical Report No. 15. ADA953162. 1951,3
[93] Lewison G R G, Williams I M. An assessment of NPL roll stabilizer tank. The Royal Institution of Naval Architect, vol. 114, 1972
[94] Bell J, Walker W P. Activated and passive controlled fluid tank system for ship stabilization. SNAME Transaction. Vol.75, 1967: 150-193P
[95] Terao Y, Minohara K. On a micro-computer based passive controlled antiroll tank system—system simulation and full scale measurement. Third International Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicle, Gdansk, Poland. 1986(9):53-59P
[96] 古野电气株式会社[日]．被动式控制型减摇装置(1)—减少船的横摇装置．渔船机关，1992(9)：51-59页古野电气株式会社[日]．被动式控制型减摇装置(1)—减少船的横摇装置．渔船机关．1992(9)：51-59页
[97] 箕原喜代美[日]．被动控制式减摇装置开发研究．渔船．1992(300)：120-132页
[98] 寺尾裕等[日]．新型被动可控式减摇水舱的系统模拟和海上试验[日]．关西造船协会志，1993(219)：75-88页寺尾裕等[日]．1993(219)：75-88页
[99] Webster W C, Dalzell J F, Barr R A. Predication and measurement of the performance of free flooding ship anti-rolling tanks. SNAME Transactions, 1988 (96): 393-364P
[100] 沈华等．超浅吃水箱形工程船横摇及减摇研究．大连理工大学学报．1998(1)：76-80页
[101] Shen Hua, Huang Dingling. Roll motion and stabilizing of a box-shaped ship with extra shallow draft. International Shipbuilding Progress, 1998(45):267-281P
[102] 上海交通大学船模试验池．关于被动式减摇水舱模拟台试验的几个问题．上海交通大学技术资料情报室．1977
[103] 吴雄建．槽型水舱的试验研究与工程理论探讨．上海交通大学研究生??论文．1980
[104] 陶尧森等．JD槽型水舱特性和减摇性能预报．中国造船．1983(9)：28-38页
[105] A．H．霍洛季林，A．H．什梅列夫．船舶耐波性和在波浪上的稳定措施．国防工业出版社，1980
[106] Goodrich G J. Development and design of passive roll stabilizers. Trans RINA, 1969(3):81-95P
[107] Van den Bosch J.J., Vugts J.H. Some notes on the performance of free surface as passive anti-rolling devices. Report No.119. Shipbuilding Laboratory. Technical University Delft, 1964(10)
[108] Van den Bosch J J, Dezwaan A P. Roll damping by free surface tanks with partially raised bottom. Report No. 180S, 1974
[109] Dalzell J F, Chu W H, Modisette J E. Studies of ship roll stabilization tanks. Technical Report No. 1. AD607765, 1964
[110] Chu W H, Dalzell J F, Modisette J E. Theoretical and experimental study of ship roll stabilization tanks. Journal of Ship Research, 1968(9): 165-180P
[111] Webster W C, Dogan P. The Analysis of the control of activated anti-roll tanks. Technical Report 490-2. Dec, 1966
[112] Webster W C. The design of tanks for use in an activate tank system. Technical Report 490-3. AD655866, 1967
[113] Webster W C. Analysis of the control activated anti-roll tanks. SNAME Transaction, Vol.75, 1967:296-331P
[114] McCallum D N. Passive anti-roll tanks design considerations. ADA022312, 1973(3):1-20P
[115] Bennett D A. Navigation '80: ships' roll stabilizers. Holland Shipbuilding, Vol.29, No.8, 1980:57-60P
[116] Zdybek T[波]．利用台架试验结果计算装有减摇水舱的船舶的横摇响应．国外舰船技术——特辅机电设备类．1981(10)：1-12页
[117] 山口悟[日]．船舶横摇控制系统设计．西部造船会会报．1993(85)：111-120页[118] 池田良穗，芳山朋史[日]．连通型防摇水舱的研究．日本造船学会论文集．1991(216)：111-119页
[119] 谷田宏次[日]．对于船体减摇的主动式控制的研究开发动向[日]．日本造船学会志．1996(800)：35-40P
[120] 徐德嘉，周庆根．船舶非线性横摇的精确模型．中国造船．1990(4)：11-23页
[121] 黄继起．自适应控制理论及其在船舶系统中的应用．国防工业出版社，1992
[122] 德恩 J C，哈迪尔 G，荣格 J P．设计核动力航母运动稳定系统采用的流体动力模型试验和最佳控制理论．现代舰船．1989(7)：1-30页
[123] 勃拉哥维辛斯基，魏东升，奚祖声，汪希龄译．船舶摇摆．高等教育出版社，1959