基于H∞的船舶多变量控制系统设计

针对舵减摇系统的特点,提出了一种新的H∞设计方案。对舵减横摇控制回路,采用H∞混合灵敏度的设计方法,在设计过程中分析了Bode积分定理对性能的限制条件,给出了一组最优设计结果。对艏摇控制回路,采用常规的负反馈设计方法设计了航向控制器。对整个系统进行的综合仿真表明,所设计的舵减摇系统满足性能要求,而且在不影响艏摇角的情况下,取得了很离的减摇率。     

舵减摇控制系统的开环增益成形设计

针对船舶航向/舵减横摇控制系统的特点,提出了一种新的设计方案.对舵减横摇控制回路,基于开环增益成形的思想,通过指定闭环灵敏度函数的幅频特性形状,得到相应的舵减横摇控制器.在设计过程中不但考虑了对象的非最小相位特性,还分析了Bode积分定理对性能的约束条件,在系统的性能和控制输出之间进行了折衷,给出了一组优化设计结果.对航向控制回路,应用混合灵敏度问题设计了H∞航向控制器.设计指标是在保证船舶能很好的跟踪航向指令的前提下尽可能的减小艏摇控制回路和横摇控制回路之间的耦合作用.仿真结果表明,所设计的舵减摇控制系统满足性能要求,取得了较高的减摇率,而且横摇运动对航向的影响很小.通过对摄动后的对象进行仿真,进一步验证了系统具有很好的鲁棒性.     

舵/鳍联合减摇的H∞控制方法

针对舵/鳍联合减摇控制系统的特点,提出了一种新的基于正实性设计思想的H∞控制方案,并根据设计结果对控制器参数进行了综合调节.采用H∞混合灵敏度设计方法,从基本的性能要求和鲁棒稳定性要求出发,对舵减摇控制回路和减摇鳍控制回路进行了设计,并且详细地给出了各个权函数的确定过程.在设计过程中不但考虑了舵机和鳍机的非线性限制,还分析了Bode积分定理对性能的约束条件,在系统的性能和控制输出之间进行了折衷,给出了一组最优的设计结果.仿真结果表明,所设计的H∞控制系统在相应的频带内具有指定的性能,系统在不同海况,不同遭遇角时,都取得了很高的减摇率.而且在对象存在摄动的情况下系统仍具有最优的性能和很好的鲁棒稳定性.     

鲁棒H∞控制理论在舵减摇中的应用

针对船舶舵减横摇控制系统的非最小相位特性,提出了基于正实性设计思想的鲁棒H∞设计方案.分析了系统的性能要求和舵机对舵角和舵速的限制,给出了权函数选择的详细过程,设计了舵减摇的H∞控制器.考虑了系统模型可能存在的不确定性,将鲁棒H∞设计结果与传统的PID设计结果进行了对比.仿真结果表明,所设计的舵减摇H∞控制系统不但取得了很高的减摇效果,而且具有很好的鲁棒稳定性;而传统的PID控制系统在对象模型存在摄动时,会导致系统不稳定,鲁棒性很差.     

船舶横向运动鲁棒PID控制及优化

针对船舶横向运动控制特点,为达到航向舵控制航向同时达到减横摇的目的,提出了一种基于闭环增益成形和模糊优化算法的鲁棒PID控制器设计方法。根据具有工程实际意义的横摇和艏摇带宽直接构造出横摇、艏摇鲁棒PID控制器,并基于横摇与艏摇频谱,组合成横向控制器。由于用舵来减摇不可避免地增加了舵机的工作负担造成较大的舵机损耗,为此提出对横摇和艏摇控制器输出加入权重分配,采用模糊算法优化横向控制器权系数的方法,达到系统性能综合最优。仿真结果表明所设计的控制器具有较强的鲁棒性,合理的权系数选择,不但可以达到降低舵机损耗的目的,而且提高了航向控制精度。该控制器设计简单,易于船舶横向运动控制的实际工程应用,具有一定的研究价值。     

舵鳍联合控制参数优化及仿真

船舶上装置的舵和减摇鳍系统分别完成航向和横摇减摇控制,但是两者之间存在着耦合,因此提出了舵鳍联合控制,实现多翼面的协调控制.建立船舶运动系统横荡、艏摇和横摇的三自由度运动、舵和减摇鳍的驱动控制、海浪干扰等数学模型,构建仿真环境.利用线性二次型最优控制理论设计舵和减摇鳍的联合控制器,并采用多目标优化手段确定舵速和鳍速参数,仿真表明,在不同的海况,以及船体不同航行状态下,都取得了显著的减摇效率,效果较减摇鳍单独减摇效果更佳,且能够保证良好的航向控制精度,说明舵鳍联合减摇有效地协调舵和鳍控制水翼的控制力和控制力矩.     

离散时间系统的H∞/LTR综合

对离散时间系统的H∞ 干扰衰减问题进行了研究 .以回路传递恢复 (LTR)技术和H∞ 控制理论为基础 ,给出了一种新的离散时间H∞/LTR综合方法 .这种方法包含两个设计步骤 :首先设计一个H∞ 状态反馈控制器 ,以使系统在鲁棒稳定性和干扰衰减特征方面满足设计指标 ;其次设计观测器 ,使得上一步中所获得的H∞ 状态反馈系统的特性得以恢复 .     

基于人工蜂群优化的环形二级倒立摆H∞鲁棒控制器设计

采用H∞回路成形控制方法实现环形二级倒立摆系统的平衡控制;对于H∞回路成形控制器来说,权函数的选择直接影响控制器性能,而往往权函数的选择是需要通过设计人员的不断试凑来完成,不仅设计效率低下,而且无法得到最优的控制性能;因此引入人工蜂群算法,依靠其优异的全局寻优能力,完成对H∞回路成形控制器权函数的求解并保证最优的控制器性能;仿真结果表明,蜂群算法能够寻优到最优的权函数参数,对应的H∞控制器能够保证环形二级倒立摆在受到外界干扰的情况下依然保持在平衡位置。     

挠性系统的控制设计和H1回路成形法

挠性系统的控制设计与具体的挠性特性是相关的,从控制角度将挠性系统划分为轴系传动机构、桁架结构和卫星太阳能帆板的薄板型结构3类.其中薄板型结构挠性系统的挠性特点明显,文中指出H∞回路成形法能有效解决薄板型结构挠性系统设计上的难点,即在幅频特性急剧下降的频段内保证系统的稳定性.一般H∞控制理论中,H∞范数是系统的性能指标.但H∞回路成形法中的H∞范数表示的则是闭环系统的稳定裕度.通过挠性系统的算例说明,H∞回路成形法并不是给定摄动范围下的设计问题,因此在鲁棒性设计这一概念上也不同于常规的H∞控制设计,有其自己的含义.     

H∞回路整形在减摇水舱摇摆台中的应用

减摇水舱摇摆台是实现位置随动控制的液压伺服系统,其功能是模拟船舶运动姿态和验证减摇水舱的性能。摇摆台运动时,在横摇和横荡2个自由度上存在着相互耦合,且水舱内流体晃荡产生很大的干扰力和力矩,导致建模时参数不确定,对系统精度造成很大影响。为此建立摇摆台耦合运动模型,运用力学理论分析并进行解耦控制,求解流体产生的干扰力和力矩,引入H∞回路整形控制策略设计控制器,最后进行仿真分析和实验验证。结果表明,系统能够准确快速跟踪动态输入的横摇和横荡位移信号,实现了对干扰的估计和补偿,提高了系统的跟踪速度和鲁棒性,更为精确地验证水舱的性能。为模拟船舶运动姿态和其他领域中同类型的液压系统控制问题提供有效的解决方法。     

基于观测器的非线性系统H_∞模糊可靠控制

研究了基于观测器的非线性系统H∞模糊可靠控制问题.采用T-S模糊模型对非线性系统进行建模,用模糊观测器重构系统状态.在系统发生故障时满足给定H∞性能的约束下.最小化正常情况下的H∞性能,实现次优H∞模糊可靠控制.提出了两种应用线性矩阵不等式(LMI)的H∞模糊可靠控制器设计方法.分别采用两步法和相似变换法将双线性矩阵不等式问题转化为LMI问题.仿真示例验证了所提出方法的有效性.     

约束条件下的舵鳍联合减摇控制研究

舵鳍联合减摇是一种新型减摇方法。在已有研究文献的基础上,基于输入输出线性化的鲁棒控制器设计方法,针对某集装箱船设计舵鳍联合减摇控制器,并重点研究舵速、鳍速限制对减摇效果与航向保持效果的影响,探讨舵速与鳍速之间的制约关系。仿真结果表明鳍速越低、舵速越高则减摇效果越好,但舵速、鳍速均有一上限值,超过上限值后,舵速、鳍速变化对减摇效果及航向保持效果的进一步改善不再明显。     

利用MATLAB进行船舶舵鳍联合减摇智能控制系统设计与仿真

该文针对象船舶舵鳍联合减摇系统这样的复杂模型的仿真以及智能控制系统设计中需训练控制器、仿真中的变参数控制等特点,介绍了一种用SIMULINK对变参数顺系统进行仿真的方法,给出了利用MATLAB环境设计如神经网络控制器等智能控制器的方案,最后给出了所述设计方案和仿真方法的具有实例：利用遗传算法训练模糊神经网络控制器对船舶舵鳍联合减摇系统进行控制。     

基于模糊算法的舵减摇滑模控制研究

以舵减摇的线性模型为研究对象,采用滑模变结构控制设计出舵减摇控制器,并在保证减摇效果的前提下,利用模糊逻辑算法对所设计切换函数的参数进行在线调整和优化,使得调整后的切换函数更合理,由于控制量与切换函数相关,从而使得控制量的输出减小,达到降低舵机摩擦损耗的目的,仿真研究表明该方法的有效性。     

航空发动机二自由度鲁棒控制器设计与验证

为了克服传统单自由度控制算法无法兼顾系统的性能和鲁棒性要求的缺陷,将二自由度和H∞控制相结合,引入二自由度H∞回路成形控制方法对某型涡扇发动机进行控制器设计;同时为了保证被控对象的输出在稳态下能较好地跟踪参考模型的输出,引入一个常数矩阵对控制回路进行了变形;为更充分对控制器性能进行验证,在设计的航空发动机数控系统实时仿真平台上进行了仿真,证实了所设计的鲁棒控制器在航空发动机控制上具有良好的性能。     

H∞回路成形中的μ综合法

H∞控制理论中的回路成形设计和μ综合都已经是定型的设计方法. 最近有文献提出一种将这两种设计方法结合起来处理弱阻尼谐振模态参数摄动的新方法. 但是实际设计表明, 二者的结合并没有达到预期的效果. 本文分析指出, 回路成形本质上是一种鲁棒稳定性设计, 其H∞范数指标的逆就是系统的稳定裕度. 而μ综合只是一种鲁棒性能的设计工具. μ综合与回路成形结合只是反映在稳定裕度上, 而并不影响设计所允许的摄动大小. 所以在回路成形设计中没有必要再加进μ综合法. 文中附有算例.     

船舶航向保持运动的间接自回归历遍模型建模

本文针对船舶航向保持过程提出了一种间接的建模方法来描述船舶舵角与艏摇角之间的关系.建模数据来源于东京海洋大学实验船舶"夕路丸"的真实航行数据.首先,以船舶舵角为输入船舶艏摇角速度为输出,建立一个过渡自回归历遍(ARX)模型;然后根据艏摇角速度和艏摇角间的差分关系,得到最终的ARX模型.再多组测试数据下,与机动建模组(MMG)模型和直接ARX模型的长期预测性能做了比较.仿真结果显示,本文提出的间接建模方法对船舶的航向保持过程有更好的长期预测效果.     

基于H∞范数优化的干扰观测器的鲁棒设计

研究干扰观测器的鲁棒优化设计方法, 应用H∞范数定义干扰观测器的优化性能评价函数, 把低通滤波器的设计问题转换为H∞闭环回路成形问题. 通过适当处理相对阶次条件等约束, 把带有约束的回路成形问题转换成无约束的H∞标准问题, 然后利用H∞标准问题的求解算法设计滤波器. 此外, 探讨了性能与频率加权函数的关系, 并在此基础上提出了加权函数的选取方法. 实验结果证明该方法设计简单, 且具有最优性和系统性.     

非线性非最小相位船舶舵减摇系统的滑模控制

建立了从舵到横摇角的非最小相位非线性船舶模型,利用滑模控制方法设计同步横摇阻尼和航向保持的稳定控制器。船舶减摇建模时假设模型误差的数量级和扰动已知,且设计的滑模控制器可实现对一阶波浪扰动的稳定调节。基于李亚普诺夫稳定性理论证明了整个闭环系统的稳定性,仿真实验的结果验证了所设计的控制器的优良跟踪性能和鲁棒性。     

具有非线性扰动的广义系统的鲁棒H∞控制

研究具有非线性结构扰动广义系统的鲁棒H∞控制和鲁棒H∞保性能控制问题,该不确定性为时间和状态的函数.且满足Lipschitz条件.目的是分别设计系统的鲁棒H∞控制器和鲁棒H∞保性能控制器.应用线性矩阵不等式方法,分别给出了系统的鲁棒H∞控制器和鲁棒H∞保性能控制器存在的充分条件.当这些条件可解时,分别给出了鲁棒H∞控制器和鲁棒H∞保性能控制器的表达式.最后通过一个仿真算例说明了所给出方法的应用.