基于非線性反饋的水翼艇縱向運動魯棒控制

張顯庫

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

基于非線性反饋的水翼艇縱向運動魯棒控制

張顯庫

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

為提高水翼艇縱向運動控制的魯棒性和節能效果，在保持已有的多輸入多輸出(Multiple-Input Multipe-Output, MIMO)魯棒控制器不變的基礎上，引入正弦函數驅動的非線性反饋代替原有的誤差線性反饋。仿真結果表明：在模型攝動時，魯棒控制器主要改進縱搖效果，而非線性反饋控制能同時改進升沉和縱搖效果，控制效果比魯棒控制器提升70%以上，控制能量比魯棒控制器節省90%以上。簡單的理論分析和仿真研究結果表明：正弦函數驅動的非線性反饋對于MIMO系統的控制同樣適用。

水路運輸； 船舶運動控制；水翼艇；非線性反饋；魯棒控制；閉環增益成形

Abstract: In order to improve the robustness of the longitudinal motion control for hydrofoils and the energy consumption, a nonlinear sine function modulated error signal is introduced to replace the original linear error feedback while keeping the construction of the Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) robust controller unchanged. The simulation results show that under given perturbations, the original robust controller mainly improves the pitch damping effect, in contrast, the nonlinear feedback controller decreases the heave and pitch simultaneously. Tests indicate that over 70% of control effect improvement with over 90% energy saving is achieved by introducing the nonlinear feedback.

Keywords: waterway transportation; ship motion control; hydrofoil; nonlinear feedback; robust control; closed-loop gain shaping algorithm

水翼艇控制屬于多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)不穩定系統的控制且控制精度要求較高，是船舶運動控制領域中的研究熱點之一。[1-4]文獻[1]給出水翼艇縱向運動的多變量隨機最優控制，仿真結果較為理想，但沒有討論模型攝動時的情況；文獻[2]在此基礎上使用閉環增益成形算法和鏡像映射方法設計出水翼艇的魯棒控制器，魯棒性能良好。近幾年，國內外相關學者[5-8]采用多種方法對水翼艇進行控制，以有效減緩船舶的縱向運動，改善乘員的暈船狀況。這些研究在減緩船舶縱向運動和節能方面都還有進一步改進的空間。文獻[9]提出一種正弦函數驅動的非線性反饋概念，并已在單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO)船舶航向保持系統的應用中取得良好的節能效果。……