船舶舵阻横摇及其鲁棒控制PDF电子书下载
交通运输
- 作 者：杨承恩等编着
- 出 版 社：大连：大连海事大学出版社
- 出版年份：2001
- ISBN：7563214666
- 页数：218 页
图书介绍： 查看图书目录点击购买PDF全本电子书 上一篇：非国际航行海船法定检验技术规则 1999下一篇：船舶辅机 《船舶舵阻横摇及其鲁棒控制》目录 标签：编着 船舶 控制
第一部分舵阻摇理论1
第一章船舶阻摇控制的历史及现状1
第一节问题的提出1
第二节舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱和阻摇舵3
第三节近年来舵阻摇的研究9
第四节舵阻摇的发展及对未来的展望11
第二章船舶模型13
第一节船舶运动方程分析13
第二节船舶稳定性21
第三节附加质量和附加惯性矩27
第四节船舶运动方程29
第五节模型不确定性32
第六节舵机模型35
第三章海浪40
第一节海浪的基本描述40
第二节标准波浪谱44
第三节船舶对波浪的响应50
第四节作为遭遇角函数的横摇角55
第五节线性海浪模型56
第六节基于观测器的海浪滤波器59
第四章舵阻摇控制66
第一节用极点配置方法设计的舵阻摇控制器66
第二节最优舵阻摇控制器设计71
第四节具有海浪滤波器的PID控制器82
第五节基于神经网络控制器的舵阻摇控制器85
第六节ROLL-NIX舵阻摇控制器简介92
第二部分舵阻摇鲁棒控制95
第五章向量空间和范数理论95
第一节特征值和特征向量95
第二节向量范数和矩阵范数97
第三节奇异值104
第四节函数空间109
第五节系统范数115
第六节小节117
第六章鲁棒稳定性和鲁棒品质119
第一节模型不确定性及鲁棒控制概述119
第二节标称稳定性124
第三节标称品质125
第四节鲁棒稳定性127
第五节鲁棒品质131
第六节一般控制问题135
第七节混合灵敏度方法139
第八节结构化奇异值142
第九节μ综合147
第七章用混合灵敏度方法设计鲁棒控制器154
第一节并联控制156
第二节具有海浪滤波器的并联控制器164
第三节串联控制器170
第四节多变量控制器177
第五节小结180
第8章用μ综合设计鲁棒控制器183
第一节用于D-K迭代的船舶模型结构和参数183
第二节迭代过程187
第三节仿真结果194
总结197
附录202
符号表202
缩写204
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摘要：船舶在复杂海况中航行时，横摇运动是影响其安全性、舒适性与作业效率的关键因素。舵阻横摇技术作为一种主动控制手段，通过巧妙的舵面操作产生阻尼力矩，为抑制船舶横摇提供了高效、经济的解决方案。本电子书系统阐述了舵阻横摇的基本原理、数学模型构建、控制策略设计及工程实现路径，尤其聚焦于鲁棒控制理论在应对模型不确定性与外部扰动中的应用。深入剖析了H∞控制、μ综合等鲁棒方法的理论推导与仿真验证，展示了其在增强系统稳定裕度与抗干扰能力方面的显著优势。读者通过下载此电子书，将获得从理论框架到实践操作的完整知识链，为船舶运动控制领域的研究与工程应用提供坚实的理论基础与技术参考。
1、舵阻横摇原理剖析
舵阻横摇的核心思想在于利用船舶自身舵叶的偏转，产生一个与横摇运动相位相反的阻尼力矩，从而有效抑制横摇幅度。与传统减摇鳍相比，舵阻横摇无需额外安装大型附体，结构简单、成本低廉，且对船舶快速性影响较小，尤其适用于对空间和重量敏感的船型。其物理机制涉及舵叶在水流中运动时产生的升力与阻力，当舵角按照特定规律变化时，这些力会形成对抗横摇的力矩。
深入理解这一机制需要建立精确的水动力模型。舵叶产生的横向力不仅取决于舵角本身，还受到舵叶浸没深度、来流速度以及船体运动耦合效应的显著影响。特别是当船舶同时存在横摇、首摇与横荡运动时，舵力与船体间的相互作用变得异常复杂，这为建模带来了巨大挑战。电子书中详细推导了包含这些耦合效应的非线性运动方程。
此外，舵机的动态特性也是不可忽视的环节。实际舵机存在转角限制、速率饱和以及时滞等物理约束，这些非线性因素会严重限制控制性能。电子书通过引入舵机伺服系统的简化模型，分析了这些约束对舵阻横摇系统稳定性和响应速度的影响，为后续鲁棒控制器的设计奠定了被控对象的基础。
2、数学模型构建方法
构建一个既能准确反映物理本质又便于控制器设计的数学模型是舵阻横摇研究的关键步骤。电子书首先从经典的船舶运动线性理论入手，基于切片法与势流理论，推导出包含横摇、横荡与首摇三自由度耦合的线性运动方程组。该模型将舵角作为控制输入，横摇角作为主要被控输出，并考虑了波浪扰动的频谱特性。
然而，线性模型在描述大幅横摇或复杂海况时精度有限。为此，电子书进一步引入了非线性阻尼项与恢复力矩项，例如采用高次多项式拟合横摇阻尼系数，以更准确地模拟船舶在极限海况下的运动行为。这些非线性特征使得系统动态变得极为丰富，但也为控制器的设计带来了困难，必须借助先进的鲁棒控制理论来应对。
为了便于工程应用，电子书还介绍了模型降阶与参数辨识技术。通过分析系统的可控性与可观性，将高阶非线性模型简化为适用于控制器设计的低阶状态空间形式。同时，利用系统辨识方法，基于实船或水池试验数据，对模型中的关键参数进行在线或离线估计，从而确保模型与实际系统的高度吻合。
3、鲁棒控制策略设计
面对船舶模型参数摄动、外部波浪扰动以及未建模动态等不确定性，传统PID控制往往难以保证满意的性能。鲁棒控制理论为此提供了强有力的工具。电子书重点阐述了H∞控制方法在舵阻横摇系统中的应用，通过构造包含性能权函数与不确定性权函数的增广系统，将设计要求转化为范数优化问题，从而设计出能保证系统稳定且具有良好扰动抑制能力的控制器。
为了进一步应对结构化不确定性，电子书深入讲解了μ分析与μ综合方法。该方法能够更为精细地描述参数摄动与动态不确定性的范围，通过结构奇异值优化，设计出对特定摄动模式具有更强鲁棒性的控制器。书中给出了详细的D-K迭代求解步骤，并结合仿真案例，对比了H∞控制器与μ控制器在模型失配情况下的性能差异。
鲁棒控制器的设计并非一劳永逸。电子书还讨论了控制器降阶与离散化实现问题。由于鲁棒控制器阶数通常较高，直接应用会对实时计算造成负担。因此，书中介绍了平衡截断、最优Hankel范数近似等降阶技术，并分析了降阶对系统鲁棒性的影响。同时，针对数字控制器实现，详细推导了连续控制器的离散化方法，并考虑了采样周期与量化误差的影响。
4、仿真验证与工程应用
理论设计的控制器必须经过严格的仿真验证才能评估其实际效果。电子书构建了包含非线性船模、波浪谱模型以及舵机伺服系统的综合仿真平台。在规则波与不规则波两种典型海况下，对设计的鲁棒控制器进行了全面的时域与频域仿真。结果表明，与PID控制相比，鲁棒控制器在抑制横摇峰值、缩短调节时间以及抵抗模型参数变化方面均表现出显著优势。
除了性能指标，控制器的工程可实现性也是评估重点。电子书分析了舵机磨损、能量消耗以及舵角饱和对控制效果的影响。通过引入抗积分饱和与指令滤波等辅助策略，确保了控制器在物理约束下仍能稳定工作。仿真还模拟了传感器噪声与信号延迟等实际工况，验证了系统在非理想环境下的鲁棒性，为实船应用提供了可靠依据。
最后，电子书展望了舵阻横摇鲁棒控制技术的未来发展方向。随着智能船舶技术的发展，将鲁棒控制与自适应控制、模型预测控制以及机器学习相结合，有望进一步提升系统的自适应能力与智能化水平。此外，多舵协同控制、舵桨联合控制等新型架构也为该领域注入了新的活力。这本电子书不仅是对现有技术的系统总结，更为后续研究指明了方向。
总结而言，这本电子书以严谨的学术态度，全面梳理了船舶舵阻横摇及其鲁棒控制的理论体系与技术细节。从基础原理到高级控制算法，从数学建模到仿真验证，内容层层递进，逻辑严密，是船舶运动控制领域不可多得的专业资料。读者通过研读此书，能够系统掌握舵阻横摇的核心知识，并具备独立设计和评估鲁棒控制系统的能力，对推动相关技术的工程化应用具有重要价值。
在当今海洋工程与船舶技术快速发展的背景下，对船舶运动性能的要求日益严苛。这本电子书所提供的理论工具与工程方法，为解决实际航行中的横摇抑制难题提供了有效路径。它不仅适用于船舶与海洋工程专业的研究生与科研人员，也可作为相关领域工程师的技术参考手册，助力提升船舶的航行安全与作业效率。
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