波浪中的船舶操纵与控制研究

This project deals with the problems of ship manoeuvring and control in waves for ships with rudder as the control device, to study the ship manoeuvrability including the course keeping ability under small rudder angle, the course changing ability under moderate rudder angle and the turning ability under large rudder angle. Various methods such as the kinematics and nonlinear dynamics analysis, hydrodynamic modeling, system identification modeling, numerical simulation, model test and full scale trial are used for modeling and predicting the manoeuvring motion in waves and analyzing the ship manoeuvrability. Intelligent controllers such as predictive controller and back-stepping controller are designed according to the nonlinearity, large time delay and time-varying dynamics characteristics of ship motion in waves. The controls of course-keeping, course-changing, path-following and roll-stabilizing are realized by controlling input signals which are obtained by minimizing the performance index function. The goal of this research project is to independently develop the methods for modeling and predicting ship manoeuvring motion in waves, to design the intelligent controllers which are featured by their strong adaptability, robustness and rapidity and can keep or change the course, follow the path optimized according to the wave conditions and stabilize the roll motion of ships in waves effectively. It is expected that the economical efficiency and environmental protection level of marine transportation will be improved, and the research level of China in the area of green ship design and green shipping will be raised through this research project.

本项目针对船舶操纵性包含的主要内容（小舵角下的航向保持性、中等舵角下的航向改变能力及大舵角下的回转性），对以舵为控制装置的船舶在波浪中的操纵与控制问题进行研究。采用运动学和非线性动力学分析、水动力建模与系统辨识建模、数值模拟、模型试验及实船试验等方法，对波浪中的船舶操纵运动进行建模与预报研究，分析船舶在波浪中的操纵性，并针对船舶在波浪中运动所具有的非线性、大时滞、动态时变等特性，设计预测控制器、反演控制器等智能控制器，通过最小化性能指标函数得到控制输入，对船舶进行航向保持、航向改变、路径跟踪和横摇抑制控制。通过本项目的研究，自主开发得到波浪中的船舶操纵运动数学建模方法及操纵性预报方法，得到具有较强自适应性、鲁棒性与快速性的船舶在波浪中保持航向、改变航向、跟踪根据波浪环境选择的最优路径和抑制横摇的智能控制器，以提高船舶海上运输的经济性和环保性，提高我国在绿色船舶设计和绿色航运领域的研究水平。

随着IMO能效设计指数、能效营运指数等强制性标准的实施，和安全、环保、高效的海上运输密切相关的波浪中的船舶操纵与控制研究成为国际造船界的热点课题。本项目针对以舵为控制装置的船舶在波浪中的操纵与控制问题开展研究，采用系统辨识建模与水动力建模的方法对波浪中的船舶操纵运动进行建模和预报；同时，应用人工智能技术和现代控制理论设计具有强自适应性和鲁棒性的控制器，对波浪作用下的船舶进行航向保持和改变、路径跟踪和横摇抑制控制。. 在辨识建模与运动预报方面，应用基于支持向量机的系统辨识方法对计及横摇的四自由度船舶操纵运动进行了建模。分别采用白箱建模、灰箱建模和黑箱建模方法对四自由度水动力模型进行建模，对Z形试验和回转试验进行预报，验证了所提出建模方法的有效性和泛化性能，并从预报精度、计算速度和所需已知条件三方面对三种建模方法进行了对比；对非线性水动力模型中的水动力系数进行了灵敏度分析，基于灵敏度分析结果简化了数学模型。. 在水动力建模与运动预报方面，给出了一种描述规则波中船舶操纵运动的数学模型，将船舶运动分解为低频操纵运动和高频波浪诱导运动两部分，使用两种不同的时间尺度对其进行求解，其中高频水动力及波浪漂移力用时域Rankine源方法计算，而低频水动力基于静水中的MMG模型，对船体、螺旋桨和舵上的水动力分别建模；应用所建立的数学模型对不同浪向和波长的规则波中的船舶回转和Z形操纵运动进行了数值预报，对数学模型和数值方法进行了验证。. 在船舶运动控制方面，分别对船舶航向保持和转向控制、船舶路径跟踪控制、基于舵的船舶路径跟踪与减横摇控制，以及基于舵、鳍联合的船舶路径跟踪与减横摇控制开展了研究；重点研究了路径跟踪与减横摇的综合控制问题，采用模型预测控制方法设计控制律，将L1自适应控制和奇异摄动法的时间尺度分析相结合解决路径跟踪问题中的舵减摇控制，仿真结果验证了所设计的综合控制方法的可行性、有效性以及相对于单独控制系统的优势。