Energy Optimization of the Fin/Rudder Roll Stabilization System Based on the Multi-objective Genetic Algorithm （MOGA）

Energy optimization is one of the key problems for ship roll reduction systems in the last decade. According to the nonlinear characteristics of ship motion, the four degrees of freedom nonlinear model of Fin/Rudder roll stabilization can be established. This paper analyzes energy consumption caused by overcoming the resistance and the yaw, which is added to the fin/rudder roll stabilization system as new performance index. In order to achieve the purpose of the roll reduction, ship course keeping and energy optimization, the self-tuning PID controller based on the multi-objective genetic algorithm （MOGA） method is used to optimize performance index. In addition, random weight coefficient is adopted to build a multi-objective genetic algorithm optimization model. The objective function is improved so that the objective function can be normalized to a constant level. Simulation results showed that the control method based on MOGA, compared with the traditional control method, not only improves the efficiency of roll stabilization and yaw control precision, but also optimizes the energy of the system. The proposed methodology can get a better performance at different sea states.

Design and Comparison of H∞/H2 Controllers for Frigate Rudder Roll Stabilization

Roll motion of ships can be distinguished in two parts:an unavoidable part due to their natural movement while turning and an unwanted and avoidable part that is due to encounter with waves and rough seas in general.For the attenuation of the unwanted part of roll motion,ways have been developed such as addition of controllable fins and changes in shape.This paper investigates the effectiveness of augmenting the rudder used for rejecting part of the unwanted roll,while maintaining steering and course changing ability.For this purpose,a controller is designed,which acts through intentional superposition of fast,compared with course change,movements of rudder,in order to attenuate the high-frequency roll effects from encountering rough seas.The results obtained by simulation to exogenous disturbance support the conclusion that the roll stabilization for displacement can be effective at least when displacement hull vessels are considered.Moreover,robust stability and performance is verified for the proposed control scheme over the entire operating range of interest.

Design of Fin-propeller Test Set-up and Analysis of Roll Stabilization Ability

Presents the fin-propeller test set-up to solve the problem of roll stabilization with ships in full speed range, withwhich, tests were run in water rank for acquisition of data, and concludes from data acquired that the fin-propeller test set-up produces more lift than simple fin, and provides lateral thrust as well, and it is therefore an effective roll stabilization devicefor ships in full speed range.

Application of a Zero-speed Fin Stabilizer for Roll Reduction of a Marine Robot near the Surface

A zero-speed fin stabilizer system was developed for rolling control of a marine robot.As a robot steering device near the sea surface with low speed,it will have rolling motion due to disturbance from waves.Based on the working principle of a zero-speed fin stabilizer and a marine robot’s dynamic properties,a roll damping controller was designed with a master-slave structure.It was composed of a sliding mode controller and an output tracking controller that calculates the desired righting moment and drives the zero-speed fin stabilizer.The methods of input-output linearization and model reference were used to realize the tracking control.Simulations were presented to demonstrate the validity of the control law proposed.

Robust Control Based on Feedback Linearization for Roll Stabilizing of Autonomous Underwater Vehicle Under Wave Disturbances

In the case of Autonomous Underwater Vehicle （AUV） navigating with low speed near water surface, a new method for design of roll motion controller is proposed in order to restrain wave disturbance effectively and improve roll stabilizing performance. Robust control is applied, which is based on uncertain nonlinear horizontal motion model of AUV and the principle of zero speed fin stabilizer. Feedback linearization approach is used to transform the complex nonlinear system into a comparatively simple linear system. For parameter uncertainty of motion model, the controller is designed with mixed-sensitivity method based on H-infinity robust control theory. Simulation results show better robustness improved by this control method for roll stabilizing of AUV navigating near water surface.

Prediction of Stabilization of Ship in Random Wave

In this paper we show thc method of energy in part with which we can get the model of random wave,and predict theroll motion of unstabilized ship and stabilized ship using the wave model.The control parameters of fin stabilizer are determinedaccording to the performance index. The simulation of the system is also made in this paper. The comparison of the simulationwith real ship indicates that the method can be used in the prediction of roll motion of a stabilized ship in random wave.

基于液压控制技术的船舶自动应急抗倾覆装置设计

船舶在航行过程中受到波浪影响容易发生倾覆事故,对人员安全造成极大威胁。本文在研究Conolly船舶横摇模型的基础上,提出一种基于液压控制技术的船舶自动应急抗倾覆装置的设计方案,使用减摇鳍来降低船舶的横摇幅度,并通过DSP控制器+Conolly船舶横摇模型的闭环控制方案实现船舶自动应急抗倾覆的目的。通过升力传感器、行程反馈和角度反馈的信号,然后计算出最优的控制信号发送给液压缸并驱动减摇鳍,产生与船舶横摇方向相反的力矩,系统能够动态响应海况变化和船舶运动,对自动应急抗倾覆装置进行仿真,结果表明,系统具有较好的适应性和实时性。

基于扩张状态观测器的滑模预测串级舵减摇控制

针对在定权重模型预测舵减摇控制下的欠驱动船舶转向响应较慢的问题,提出一种基于模糊扩张状态观测器(FESO)的滑模预测串级舵减摇控制方法。建立线性三自由度欠驱动船舶运动模型,设计FESO来估计船舶状态和外部扰动,设计离散自适应滑模控制(DASMC)作为串级外环航向控制,以外环控制作为预期控制律,设计模型预测控制(MPC)作为串级内环减摇控制。通过分析船舶的航向误差和航行情况,设计模糊规则在不同航行情况下改变MPC目标函数的状态权重和控制输入权重,理论证明了所设计观测器的收敛性和控制方法的闭环稳定性。通过对一艘多用途海军舰艇进行数值仿真分析,在航向改变的情况下,所设计的控制器减摇率在保证减摇效果的同时,相比固定权重线性MPC在30°的转向的响应时间更少,证明了所提方法能有效提升欠驱动船舶减摇时对转向的响应。

减摇鳍在智能船舶的应用

基于某在建智能科研船舶,小型智能船舶的智能船体、智能能效监测功能的要求,配备了减摇鳍装置。详细剖析减摇鳍作用原理、减摇鳍装置的组成结构、各结构的功能作用以及对减摇鳍装置的定位及安装要求。为配置减摇鳍装置的船舶提供了理论设计依据及安装应用指导。从而更好的实现船舶的安全稳性,满足智能船舶在风浪中的航速和能效要求,节约燃料的同时也能确保船舶设备的使用寿命。

基于神经网络的鲁棒自适应舵减摇控制

[目的]针对存在系统未知非线性函数和外界随机扰动的欠驱动水面船舶舵减摇控制问题,提出一种基于多层循环神经网络的自适应非奇异快速终端滑模舵减摇控制器。[方法]首先,针对传统滑模控制中存在的奇异性和收敛性问题,引入非奇异快速终端滑模面,并在假设船舶模型已知的情况下设计滑模控制律;接着,对传统径向基神经网络进行改进,并利用改进后的神经网络去逼近系统未知非线性函数,以解决船舶航行时模型难以确立的问题,提高控制精度;然后,应用Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性和有限时间收敛性,并推导出神经网络参数的自适应律;最后,对一艘多用途海军舰艇进行数值仿真分析。[结果]结果显示,当船舶处于航向保持工况时,所提出的控制器减摇率为50.41%,与非奇异快速终端滑模控制器相比提升了19.2%;当船舶处于变航向工况时,所提出的控制器减摇率为23.46%,与非奇异快速终端滑模控制器相比提升了12.59%。[结论]该方法可以为欠驱动船舶舵减摇控制设计提供参考。

有限时间滤波反步滑模自适应舵减摇控制

[目的]针对欠驱动船舶在未知海浪扰动下的舵减摇控制问题,设计一种基于有限时间收敛的滤波反步滑模自适应控制器。[方法]首先,针对常规反步法中微分爆炸问题,引入一阶滤波器,以避免对虚拟控制律的求导;然后,根据有限时间控制理论,通过滤波反步法与滑模自适应控制方法,设计有限时间收敛的舵减摇控制律;最后,通过李雅普诺夫稳定性理论,证明航向子系统和减摇子系统的稳定性。[结果]仿真结果表明,在不同海浪扰动下,所设计控制器使船舶能够在有限时间内追踪航向并实现减摇效果;与反步滑模控制相比,所设计控制器可改善船舶航向保持控制性能,减摇率提升了5%。[结论]所提方法可为欠驱动船舶舵减摇控制问题提供参考。

转子翼驱动功率与升/阻力特性研究

为了研究新型的Magnus转子式减摇装置(转子翼)的驱动功率问题,本文通过转子翼上动态流体力矩和平均转子角速度计算伺服系统驱动功率。采用ANSYS-Fluent进行转子翼水动力三维瞬态仿真试验,得到横摇周期内动态水动力特性;根据动态流体力和转子角速度,按照惯性力矩、摩擦力矩和粘滞阻力矩3部分计算得出转子翼上的总力矩。研究结果表明:长度3 m、直径0.4 m的转子翼,航速7 kn时,平均升阻比大于4;转子翼在低航速时亦可产生足够升力;转子翼单位投影面积升力大于传统翅片形减摇鳍,阻力则反之;转子翼的驱动功率小于传统减摇鳍。

基于模糊规则的鲁棒预测舵减摇控制

[目的]针对模型预测控制(MPC)中因权重值固定所导致的欠驱动船舶在舵减摇时对转向的响应较慢的问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器(FTESO)、模糊控制规则和鲁棒预测控制的舵减摇控制器设计方法。[方法]首先,建立固定航速欠驱动船舶线性模型用于控制器设计,FTESO用于观测船舶运动状态和外部扰动;然后,通过对船舶在航向保持和变航向的情况进行分析,设计这2种情况下的目标函数权重,并建立状态观测值与目标函数权重之间的模糊规则,随后采用鲁棒预测控制解决带约束的多目标协同控制问题;最后,以一艘多用途舰艇为例进行数值仿真分析。[结果]结果显示,在航向改变情况下,对比扰动补偿模型预测控制和扰动观测器强化模型预测控制,发现减摇效果分别提升了5.74%和0.8983%,对于30°的转向的响应时间分别减少了1.8和7.3 s,证明了所设计控制方法的闭环稳定性。[结论]研究表明,所提方法在欠驱动船舶减摇方面是有效的。

船舶减摇技术研究进展

综述船舶常用减摇装置的研究现状,指出单一减摇装置在功能上的局限性和大型船舶采用综合减摇装置的必要性,通过对目前出现的综合减摇装置和技术的研究现状分析,得出综合减摇装置的减摇性能远远好于单一减摇装置的性能,船舶减摇技术将来的主要发展趋势是大力发展综合减摇技术。

大型船舶综合减摇系统的研究

本文在分析船舶的综合减摇问题以及船舶主要减横摇装置的优缺点的基础上 ,针对船舶的减横摇问题 ,兼顾船舶的静倾问题 ,提出了可应用于全工况下的船舶综合减摇系统。综合减摇系统是由减摇鳍、减摇水舱和抗静倾平衡水舱组成的。这种综合减摇系统既综合了鳍与水舱的优点 ,又克服了减摇鳍和减摇水舱各自的缺陷。以高速滚装船为例 ,建立了“船舶 -减摇鳍 -被动式 U型水舱”系统的运动方程并进行了计算机仿真。通过对仿真结果的讨论和分析得到如下结论 :这种综合减摇系统具有良好的减摇能力 ;在各种航态下 (包括零航速 )都能达到减摇要求 ;综合减摇系统的减摇性能远远好于单独使用减摇鳍和减摇水舱的性能。船舶综合减摇系统的提出为大型船舶的综合平衡开辟了新途径 ,这种设计方法对大型水面舰船、尤其对有舰载机的船舶及两栖作战舰船的综合减摇具有重要意义。

船舶舵鳍联合控制的综述

船舶舵鳍联合控制是在鳍减摇和舵减摇基础上发展起来的一种减摇方式,也是船舶减摇控制领域的一个重要研究课题,它能在克服鳍减摇和舵减摇缺点的同时提高减摇效果,通过对舵鳍联合控制的研究情况的综述和总结,概述了舵鳍联合控制的优点及发展过程,并根据国内外现有的研究情况,分析和讨论了舵鳍联合控制的发展趋势。

船舶舵/鳍联合减摇鲁棒控制研究

为了提高船舶减摇效果,研究了舵/鳍联合减摇鲁棒控制问题.通过提出广义输出干扰的概念,将舵/鳍联合减摇控制系统广义对象的奇异控制问题转化为非奇异标准控制问题,给出了艏摇/横摇耦合运动的线性分式变换模型和广义对象状态空间实现.基于μ综合设计了舵/鳍联合减摇H∞鲁棒控制系统的控制器,并用结构奇异值理论对所设计的系统进行鲁棒稳定性和鲁棒性能分析.通过数字仿真,证明了所设计的控制系统具有良好的减摇效果和鲁棒性.

舵减摇仿真研究

本文通过建立船舶操纵运动和周期性摇荡运动的耦合数学模型，进行了舵减摇仿真研究。计算表明，只要适当选择舵角控制函数中的反馈系数，可以在合理的转舵速率和允许的航向变化幅度下取得满意的减摇效果。

基于Weis-Fogh机构的零航速减摇鳍升力模型的研究

随着减摇技术的发展,出现了一种可以使用减摇鳍在零航速下进行减摇的新方法,这种方法使减摇鳍既可以在零航速下进行减摇也可以在中高航速下满足减摇的需要。文章结合国外的相关文献,对零航速下减摇鳍的工作方式和产生的升力进行了相关的研究。并根据Weis-Fogh机构流体动力学知识对升力进行了分析,建立了零航速下减摇鳍的升力模型,根据模型进行了升力仿真研究。

减摇鳍-减摇水舱综合减摇实验装置的研究

采用了减摇鳍-减摇水舱综合减摇的数学模型,对综合减摇数学模型在实验装置上的实现方法进行了分析。通过用软件模拟船舶横摇阻尼力矩的方法可以实现台架模拟船舶的横摇运动,通过对船舶-水舱系统数学模型的分析,可用近似二项式替代的方法来简化船舶-水舱系统数学模型,并通过仿真选出了较理想的近似参数值,使综合减摇数学模型在实验装置上的实现成为可能。通过对综合减摇理论数学模型和综合减摇实验装置模型的仿真分析,可以看出两者有较好的相似性,说明用文中综合减摇实验装置来模拟综合减摇系统的实现方法是可行的。