波浪中的船舶操縱與控制研究

《波浪中的船舶操縱與控制研究》是依託上海交通大學，由鄒早建擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：波浪中的船舶操縱與控制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄒早建
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

本項目針對船舶操縱性包含的主要內容（小舵角下的航向保持性、中等舵角下的航向改變能力及大舵角下的迴轉性），對以舵為控制裝置的船舶在波浪中的操縱與控制問題進行研究。採用運動學和非線性動力學分析、水動力建模與系統辨識建模、數值模擬、模型試驗及實船試驗等方法，對波浪中的船舶操縱運動進行建模與預報研究，分析船舶在波浪中的操縱性，並針對船舶在波浪中運動所具有的非線性、大時滯、動態時變等特性，設計預測控制器、反演控制器等智慧型控制器，通過最小化性能指標函式得到控制輸入，對船舶進行航向保持、航向改變、路徑跟蹤和橫搖抑制控制。通過本項目的研究，自主開發得到波浪中的船舶操縱運動數學建模方法及操縱性預報方法，得到具有較強自適應性、魯棒性與快速性的船舶在波浪中保持航向、改變航向、跟蹤根據波浪環境選擇的最優路徑和抑制橫搖的智慧型控制器，以提高船舶海上運輸的經濟性和環保性，提高我國在綠色船舶設計和綠色航運領域的研究水平。

結題摘要

隨著IMO能效設計指數、能效營運指數等強制性標準的實施，和安全、環保、高效的海上運輸密切相關的波浪中的船舶操縱與控制研究成為國際造船界的熱點課題。本項目針對以舵為控制裝置的船舶在波浪中的操縱與控制問題開展研究，採用系統辨識建模與水動力建模的方法對波浪中的船舶操縱運動進行建模和預報；同時，套用人工智慧技術和現代控制理論設計具有強自適應性和魯棒性的控制器，對波浪作用下的船舶進行航向保持和改變、路徑跟蹤和橫搖抑制控制。在辨識建模與運動預報方面，套用基於支持向量機的系統辨識方法對計及橫搖的四自由度船舶操縱運動進行了建模。分別採用白箱建模、灰箱建模和黑箱建模方法對四自由度水動力模型進行建模，對Z形試驗和迴轉試驗進行預報，驗證了所提出建模方法的有效性和泛化性能，並從預報精度、計算速度和所需已知條件三方面對三種建模方法進行了對比；對非線性水動力模型中的水動力係數進行了靈敏度分析，基於靈敏度分析結果簡化了數學模型。在水動力建模與運動預報方面，給出了一種描述規則波中船舶操縱運動的數學模型，將船舶運動分解為低頻操縱運動和高頻波浪誘導運動兩部分，使用兩種不同的時間尺度對其進行求解，其中高頻水動力及波浪漂移力用時域Rankine源方法計算，而低頻水動力基於靜水中的MMG模型，對船體、螺旋槳和舵上的水動力分別建模；套用所建立的數學模型對不同浪向和波長的規則波中的船舶迴轉和Z形操縱運動進行了數值預報，對數學模型和數值方法進行了驗證。在船舶運動控制方面，分別對船舶航向保持和轉向控制、船舶路徑跟蹤控制、基於舵的船舶路徑跟蹤與減橫搖控制，以及基於舵、鰭聯合的船舶路徑跟蹤與減橫搖控制開展了研究；重點研究了路徑跟蹤與減橫搖的綜合控制問題，採用模型預測控制方法設計控制律，將L1自適應控制和奇異攝動法的時間尺度分析相結合解決路徑跟蹤問題中的舵減搖控制，仿真結果驗證了所設計的綜合控制方法的可行性、有效性以及相對於單獨控制系統的優勢。