船舶运动简捷非线性鲁棒控制-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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船舶运动简捷非线性鲁棒控制

项目名称：船舶运动简捷非线性鲁棒控制
项目类别：面上项目
批准号：50979009
申请代码：E091002
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2010-01-01-2012-12-31

项目负责人：张显库
负责人职称：教授
依托单位：大连海事大学
批准年度：2009

中文摘要：

为保障海上交通运输安全和经济可持续发展，针对船舶运动控制的本质非线性、模型不确定性、干扰及量测不精确性的情况，给出一类船舶运动控制多输入多输出(MIMO)非线性鲁棒简捷控制算法。以舵鳍联合系统的控制为例，建立其非线性数学模型。在精确反馈线性化、Backstepping与闭环增益成形算法的基础上，总结出一类基于闭环增益成形算法的非线性鲁棒简捷控制算法，并为非线性舵鳍联合系统设计出非线性鲁棒控制器。经过单机仿真之后，要在大连海事大学的大型船舶操纵模拟器中增加减摇模块并进行半物理仿真，来验证控制器的航向保持和减摇效果，取得MIMO系统的非线性鲁棒控制算法的数字和模拟仿真结果。该简捷算法是从工程应用角度给出的非线性鲁棒控制算法，避免了权函数的选择，从根本上保证了设计的非线性控制器具有鲁棒性和鲁棒稳定性，设计过程简单，物理意义明显。算法的简化使之更容易达到信息对称，为先进算法的实际应用铺平了道路。

中文主题词：船舶运动控制；简捷控制；闭环增益成形；非线性鲁棒控制；计算机仿真

英文摘要：

ship motion control；concise control；closed-loop gain shaping；nonlinear robust control；computer simulation

英文主题词： ship motion control；concise control；closed-loop gain shaping；nonlinear robust control；computer simulation

结论摘要：

为保障海上交通运输安全和经济可持续发展，针对船舶运动控制系统中本质非线性、模型不确定性、干扰及量测不精确性等情况，给出一类针对船舶运动多输入多输出(MIMO)系统的非线性简捷鲁棒控制算法。以舵鳍联合系统为例，建立其非线性数学模型；在精确反馈线性化、Backstepping与闭环增益成形算法的基础上，总结出一类非线性简捷鲁棒控制算法，并为舵鳍联合非线性系统设计出非线性鲁棒控制器。经过单机仿真之后，在航海模拟器中进行了联调测试，并成功研制出船舶舵鳍联合减摇自动舵样机，进行了双机半物理仿真，验证了控制器的航迹保持、航向保持和减摇控制效果，取得MIMO非线性简捷鲁棒控制算法的数字和模拟仿真结果。该算法是从工程应用角度精炼传统的H∞鲁棒控制算法，避免了权函数的选择，从根源上保证了非线性控制器的鲁棒性和鲁棒稳定性，设计过程简捷，物理意义明显。算法的简化使之更容易达到信息对称，为先进算法的工程应用铺平了道路。主要研究成果 (1)在本质非线性反馈控制方面取得了重大突破。常规的闭环控制是以设定值与输出值的误差为反馈信号，本研究提出以设定值与输出值之差的正弦函数为反馈信号驱动控制器，在不改变控制律的基础上，以较小的控制输出取得相同的控制效果，并在理论上进行了证明和分析。以“育龙”轮为例，给出了用航向偏差的正弦函数驱动的自动舵控制算法的仿真结果，最大初始舵角下降了40%，而控制效果几乎与原控制效果相同。所提出的算法具有节能、安全等优点，符合船舶运动控制领域一般要求用较小的舵角幅值和较慢的动舵频率保持船舶航向，以达到节能和减小舵机磨损的目的。尤其是在恶劣的海况下，打大舵角会引起船舶横摇加剧，给航行安全带来隐患，故在设计船舶自动舵控制算法时，要尽量减小舵角幅值和动舵频率。该研究具有重要的理论参考和实际应用价值。 (2)在船舶控制系统和简捷鲁棒控制理论方面取得了重要成果，出版2部专著《船舶运动简捷鲁棒控制》(科学出版社)和《船舶控制系统》，研制成功舵鳍联合减摇自动舵样机，具有航向保持、航迹保持、舵鳍联合减摇3种功能，并通过双机半物理仿真测试。 (3)发表论文37篇，被EI收录18篇，其中国际刊物9篇。(4)培养毕业博士生3名、毕业硕士生9名。经费全部到位，按规范使用完毕，没有结余。项目取得了预期成果，圆满完成研究计划。

成果综合统计