吊舱式电力推进控制.doc
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吊舱式电力推进控制,摘要吊舱式电力推进已经成为世界造船业广泛关注的一种新型推进方式，对吊舱推进系统的研究成为了当今船舶研究的热点之一。吊舱推进器集推进装置与回转装置于一体，加剧了船舶航速与航向之间的耦合作用，给船舶控制带来了新问题。因此，研究吊舱船舶推进系统的控制方法具有重要意义。本文以吊舱式电力推进船舶为研究对象，开展了以下工作：首先，...
内容介绍
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摘 要
吊舱式电力推进已经成为世界造船业广泛关注的一种新型推进方式，对吊舱推进系统的研究成为了当今船舶研究的热点之一。吊舱推进器集推进装置与回转装置于一体，加剧了船舶航速与航向之间的耦合作用，给船舶控制带来了新问题。因此，研究吊舱船舶推进系统的控制方法具有重要意义。
本文以吊舱式电力推进船舶为研究对象，开展了以下工作：
首先，研究了吊舱推进器的推进原理和推进控制系统构成。根据时标分离原则，提出一种吊舱推进船舶的航速与航向分离控制结构，简化了控制器的设计。提出了吊舱推力矢量模型及其具体计算方法，建立了以螺旋桨转速和吊舱方位角为控制量的吊舱推进船舶一体化运动模型。在Matlab/Simulink环境下建立仿真模块，进行船舶回转运动仿真和Z型运动仿真。仿真结果表明，所建立的模型能够客观的反映吊舱船舶的运动特性，为控制器的设计奠定了基础。
其次，设计了一种航速智能积分规则自调整模糊控制器，解决了常规模糊控制器稳态精度低和自适应性差的问题，而且动态特性和鲁棒性都优于PID控制器；设计了一种航向饱和函数自适应模糊滑模控制器，在削弱抖振的同时保持了良好的控制品质，对船舶模型参数和环境干扰的不确定性具有很强的鲁棒性。
最后，将航速控制器与航向控制器同时施加于吊舱船舶运动一体化模型，对航速与航向进行联合控制仿真。仿真结果表明，联合控制不仅能实现航向的快速无超调跟踪，而且可以克服船舶转向过程中的航速下降，在响应时间、超调量和稳态精度方面都优于航向单独控制的系统。
关键词 吊舱式电力推进；推力矢量；分离控制；模糊控制；滑模变结构控制
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 录
摘 要 I
Abstract III
第1章 绪 论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外研究发展现状综述 1
1.2.1 吊舱推进器的研究概况 1
1.2.2 船舶航速和航向控制的研究概况 4
1.3 本文的主要工作及内容安排 5
第2章 系统概述及整体控制方案 7
2.1 吊舱推进器的原理 7
2.2 推进系统半实物仿真 10
2.3 整体控制方案的提出 11
2.4 本章小结 13
第3章 吊舱推进船舶一体化运动模型 14
3.1 吊舱船舶运动方程 14
3.2 吊舱推力矢量模型 16
3.2.1 吊舱推力矢量 16
3.2.2 吊舱方位角调节模型 18
3.2.3 推进电机转速调节模型 18
3.3 裸船体力及力矩模型 18
3.3.1 惯性流体力及力矩 19
3.3.2 粘性流体力及力矩 19
3.4 船舶运动环境干扰模型 19
3.4.1 风干扰力的模型 20
3.4.2 浪干扰力的模型 21
3.5 船舶运动响应型模型 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 仿真与结果分析 24
3.7 本章小结 27
第4章 吊舱推进船舶的航速控制 28
4.1 模糊控制的基本原理 28
4.1.1 模糊控制系统的组成 28
4.1.2 模糊控制器设计的基本方法 29
4.2 航速模糊控制器设计 31
4.2.1 船舶航速控制系统 31
4.2.2 常规航速模糊控制器设计 31
4.3 改进的航速模糊控制器设计 33
4.3.1 常规模糊控制的缺陷 33
4.3.2 智能积分的引入 33
4.3.3 规则自调整因子的引入 34
4.4 航速模糊控制系统仿真 35
4.4.1 航速模糊控制器的仿真 35
4.4.2 无环境干..
吊舱式电力推进已经成为世界造船业广泛关注的一种新型推进方式，对吊舱推进系统的研究成为了当今船舶研究的热点之一。吊舱推进器集推进装置与回转装置于一体，加剧了船舶航速与航向之间的耦合作用，给船舶控制带来了新问题。因此，研究吊舱船舶推进系统的控制方法具有重要意义。
本文以吊舱式电力推进船舶为研究对象，开展了以下工作：
首先，研究了吊舱推进器的推进原理和推进控制系统构成。根据时标分离原则，提出一种吊舱推进船舶的航速与航向分离控制结构，简化了控制器的设计。提出了吊舱推力矢量模型及其具体计算方法，建立了以螺旋桨转速和吊舱方位角为控制量的吊舱推进船舶一体化运动模型。在Matlab/Simulink环境下建立仿真模块，进行船舶回转运动仿真和Z型运动仿真。仿真结果表明，所建立的模型能够客观的反映吊舱船舶的运动特性，为控制器的设计奠定了基础。
其次，设计了一种航速智能积分规则自调整模糊控制器，解决了常规模糊控制器稳态精度低和自适应性差的问题，而且动态特性和鲁棒性都优于PID控制器；设计了一种航向饱和函数自适应模糊滑模控制器，在削弱抖振的同时保持了良好的控制品质，对船舶模型参数和环境干扰的不确定性具有很强的鲁棒性。
最后，将航速控制器与航向控制器同时施加于吊舱船舶运动一体化模型，对航速与航向进行联合控制仿真。仿真结果表明，联合控制不仅能实现航向的快速无超调跟踪，而且可以克服船舶转向过程中的航速下降，在响应时间、超调量和稳态精度方面都优于航向单独控制的系统。
关键词 吊舱式电力推进；推力矢量；分离控制；模糊控制；滑模变结构控制
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 录
摘 要 I
Abstract III
第1章 绪 论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外研究发展现状综述 1
1.2.1 吊舱推进器的研究概况 1
1.2.2 船舶航速和航向控制的研究概况 4
1.3 本文的主要工作及内容安排 5
第2章 系统概述及整体控制方案 7
2.1 吊舱推进器的原理 7
2.2 推进系统半实物仿真 10
2.3 整体控制方案的提出 11
2.4 本章小结 13
第3章 吊舱推进船舶一体化运动模型 14
3.1 吊舱船舶运动方程 14
3.2 吊舱推力矢量模型 16
3.2.1 吊舱推力矢量 16
3.2.2 吊舱方位角调节模型 18
3.2.3 推进电机转速调节模型 18
3.3 裸船体力及力矩模型 18
3.3.1 惯性流体力及力矩 19
3.3.2 粘性流体力及力矩 19
3.4 船舶运动环境干扰模型 19
3.4.1 风干扰力的模型 20
3.4.2 浪干扰力的模型 21
3.5 船舶运动响应型模型 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 仿真与结果分析 24
3.7 本章小结 27
第4章 吊舱推进船舶的航速控制 28
4.1 模糊控制的基本原理 28
4.1.1 模糊控制系统的组成 28
4.1.2 模糊控制器设计的基本方法 29
4.2 航速模糊控制器设计 31
4.2.1 船舶航速控制系统 31
4.2.2 常规航速模糊控制器设计 31
4.3 改进的航速模糊控制器设计 33
4.3.1 常规模糊控制的缺陷 33
4.3.2 智能积分的引入 33
4.3.3 规则自调整因子的引入 34
4.4 航速模糊控制系统仿真 35
4.4.1 航速模糊控制器的仿真 35
4.4.2 无环境干..
