舵减摇控制系统的开环增益成形设计

梁利华，刘彦文，李栋良
哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨

摘　　　要：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较小相位特性，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。

关　键　词：舵减摇；开环增益成形；Ｂｏｄｅ积分定理；性能要求

１　引　言
船舶在海上航行时，由于环境干扰的作用产生的横摇运动会对船舶的安全性、船上的设备、货物及船员产生不利影响［１］。舵减摇是利用操舵所产生的横摇运动来抵消波浪产生的横摇，从而达到减摇的目的［２］。由于舵的主要作用来保持航向，要求所设计的舵减横摇控制系统对航向的耦合作用尽量的小，即在不影响航向（艏摇角） 的条件下尽可能的提高系统的减摇效果。本文将首先分析舵减摇系统中横摇和艏摇的频率特性及二者之间的耦合作用，提出先分别单独设计各回路，再进行综合的设计方案，对船舶航向／舵减横摇综合控制系统进行了设计。对舵减横摇回路，将采用一种新的设计思路，基于开环频率成形的方法设计舵减横摇控制器。对航向控制器，采用Ｈ∞设计方法进行设计。

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