零航速减摇鳍永磁同步电机伺服系统广义预测控制

为提高系统的可靠性,探索了电伺服系统在零航速下减摇鳍上的应用,并根据减摇鳍的负载特性选择了驱动电机的种类。由于零航速减摇鳍的工作环境和负载特性比较复杂,为提高电伺服系统的动态性能和对参数扰动的鲁棒性,建立了永磁同步电机传动系统的受控自回归积分滑动平均(controlled auto regressive integrated moving average,CARIMA)模型,实现了电伺服系统的广义预测控制。由于浪级较高时电机驱动能量不足,所以对伺服系统输入输出的约束条件进行了分析,在此基础上提出了一种考虑约束的改进控制算法。仿真结果表明,广义预测控制器能够改善伺服系统的动态性能,提高零航速减摇鳍的减摇效果。

零航速减摇鳍电动伺服系统驱动功率研究

在分析零航速减摇鳍升力特性的基础上,推导出了减摇鳍动态流体力矩和平均横摇角速度的计算方法,提出了通过转鳍动态流体力矩和平均横摇角速度计算伺服系统驱动功率的方法。同时根据计算所得的伺服系统驱动功率进行了电动伺服系统的仿真实验。实验结果表明,采用动态流体力矩代替静态流体力矩计算所得的伺服系统驱动功率更加精确、合理,提高了系统的工作效率。

零航速减摇鳍两步主从控制律设计

零航速减摇鳍水动力特性与升力式减摇鳍存在本质差异,前者与鳍角、角速度、角加速度构成多约束动态非线性映射,不满足后者的近似线性关系,导致对抗式PID控制无法适用.针对零航速减摇鳍系统特有的动态输入非线性及整体结构,借助非线性分离策略,提出并设计基于变约束模型预测控制与数值迭代反演的两步主从控制律.仿真结果表明,控制器性能良好,但受物理性硬约束影响,零航速减摇效率随海情增加而呈非线性递减趋势.

零航速减摇鳍升力特性分析

采用解析的方法对减摇鳍在非定常流中的受力情况进行分析,得到了鳍上各种流体作用力的表达式。利用该升力模型对零航速减摇鳍角速度与升力的相位关系进行定量分析,提出了对二者相位差进行补偿的方法。为了解决浪级较大时无法进行相位补偿的问题,设计了根据起动和制动阶段的不同要求实时改变最大允许角速度的升力限位环节。仿真结果表明,加入升力限位环节可以有效抑制制动阶段反向升力对系统产生的不利影响。

零航速减摇鳍改进自适应神经元控制

针对零航速减摇鳍系统使常规PID控制方法难以获得满意的减摇效果这一问题,研究了一种改进自适应单神经元控制器,在不增加神经元结构复杂性的同时,提高了其非线性处理能力.为降低对零航速减摇鳍驱动伺服系统功率的要求,借助最优控制中的二次型指标思想,对神经元参数进行在线自适应调整,实现了对驱动功率的间接约束.证明了在该控制方法下系统的Lyapunov稳定性,并在不同海情下与常规PID控制方法进行模拟比较,展示出该方法解决零航速减摇鳍输入非线性控制的优越性。

船舶零航速减摇鳍实验系统研究

零航速减摇鳍同传统减摇鳍相比,由于没有来流速度,是靠自身的转动产生相应的升力,无法用传统减摇鳍的升力理论来为零航速减摇鳍建立升力模型。现在零航速减摇鳍升力建模方法是将鳍上受到的力分成3个部分讨论,即鳍上受到的形阻力、附加质量力和旋涡作用力。基于这种方法建立的升力模型,在建模过程中会忽略一些因素,建立的零航速减摇鳍升力模型可能与实际情况会有一些差别。这需要进行实验来获得鳍上的升力曲线,从而对现有升力模型进行修正。零航速减摇鳍实验台就是针对这个问题设计开发的。对零航速减摇鳍试验系统的搭建和调试进行了研究,从系统调试结果可以看出:零航速减摇鳍实验台的跟踪精度非常高,可以满足零航速减摇鳍鳍模实验的要求。

基于改进主从控制结构的海洋机器人零航速减摇鳍系统

利用零航速减摇鳍系统实现对海洋机器人在近水面低速航行时的横摇姿态控制.基于零航速减摇鳍的非线性动态特性和海洋机器人横摇解耦模型,提出具有主从结构的横摇减摇控制规律.设计具有积分滑模面的变结构控制规律,估算系统期望横摇扶正力矩,并进一步结合非线性跟踪控制理论和反馈线性化方法,建立减摇鳍子系统模型,设计从属控制规律驱动减摇鳍产生实际横摇稳定力矩.仿真结果和理论分析表明,所设计的控制规律是稳定且有效的.

零航速减摇鳍驱动模型与最优控制

为优化零航速减摇鳍鳍型和设计转鳍伺服系统,应用高等流体力学理论,建立了转鳍驱动力矩与功率模型.针对驱动伺服系统存在的输入饱和、功率约束等问题,以所建模型为基础,运用直接配置非线性规划法将多约束条件下的零航速减摇鳍最优控制问题转化为相应的非线性规划问题,应用序列二次规划算法对该问题求解.横摇衰减仿真试验证明了该方法的有效性.

减摇鳍在零航速船舶减摇运动中的应用

随着低航速甚至零航速舰船在海上作业的可能需求日益增大,如何减轻低航速舰船的横摇运动是个亟待解决的问题。本文利用计算流体力学软件,数值模拟减摇鳍简单运动,以达到显著减弱零航速船舶横摇运动的目的。首先,在有航速和零航速两种情况下,对减摇鳍作简谐运动时所受的流体动力进行数值模拟,计算结果与文献中的试验和数值结果比较吻合;接着,计算分析并获得减摇鳍运动与船舶横摇运动之间的关系;最后,通过对船模在相同波高、4个不同周期的规则波中进行减摇效率模拟,发现零航速减摇鳍的减摇效率至少为61%,最高可达81%。

水面机器人横摇模型及减摇控制

为解决水面机器人近水面低航速时的横摇控制问题,基于零航速减摇鳍工作原理和模糊控制理论,建立水平面运动模型解耦后的等价横摇模型并对其进行降阶处理,采用模糊PID控制策略,该方法对多变海情具有较强鲁棒性.仿真结果表明,模糊PID控制对水面机器人的横摇具有明显的控制效果,模型的解耦方法便于水面机器人横摇控制器设计.

基于动态反馈线性化的海洋机器人近水面横摇减摇控制

海洋机器人在近水面低速航行时,在海浪干扰下将产生横摇运动,严重影响机器人安全性能,因此利用零航速减摇鳍系统对横摇运动加以有效控制。针对机器人非线性运动模型及零航速减摇鳍升力模型的特点,利用动态反馈线性化方法设计横摇减摇控制规律。该方法通过将原系统扩展为含有伪状态变量的新系统,实现系统线性化,解决由减摇鳍升力模型引起的系统非线性形式控制输入的问题。理论证明及仿真结果表明该横摇控制规律是稳定有效的。