A Roll Stabilization System for a Monohull Ship: Modeling, Identification, and Adaptive Control

1. A Roll Stabilization System for a Monohull Ship:Modeling, Identification, and Adaptive Control 指導教授：曾慶耀 學生：陳柏均 學號：10067006 日期：2011.11.17

2. 大綱 • 摘要 • 船舶介紹 • 系統方塊圖 • Design of a Lead Controller • Adaptive LQ Controller • 結論

3. 摘要 為了減少海浪所造成的橫搖，使用兩個輔助自動控 制的翅膀。這兩個翅膀在水中可改變傾角產生力矩，降 低船舶的橫搖。以船舶的實驗數據為基礎，建立動態模 型。針對橫搖影響設計兩種不同的補償器：第一個使用 典型頻域技術，第二個使用適應LQ(linear quadratic)補 償。

4. 船舶介紹 長47公尺，排水量160噸，載客數512名 最大船速35節，手臂長2.5公尺

5. 系統方塊圖

6. Ship Dynamic(1) Ψ(s)是橫搖角度、O(s)是全部輸入力矩 Kns = 9.5 * 10^-7 rad/Nm Δ是船重、h是橫向穩心高度、Jg是船的慣性 Δ=151392Kg、Jg = 1.189 * 10^6kgm^2

7. Ship Dynamic(2) 從船的設計資料推導出來ωn=1.25rad/s 在船速為零時，船的相對阻尼 =0.5 當順向船速增加，阻尼也會跟著增加 在順向船速為35節時，阻尼 =0.8

8. Model of the Wing System(1) 單一翅膀在海中改變傾角會產生一個流力，如上式 Ap是在水中的表面積、Vn是船速 參數k與海的密度有關

9. Model of the Wing System(2) 假設船在等速下移動，會遵循以下關係式： Cp = Kp * Φ Cp是對應的力矩、Φ是翅膀的角度 Kp=2.3356 * 10^5Nm/rad

10. Electro-Hydraulic System Model 藉由兩個相同的電動液壓系統產生力矩使得手臂和 翅膀能夠移動。 電動液壓系統可用一階來近似，如下式： Φ(s)/Vh(s) = 0.33/s+1.57 Vh是輸入電壓、 Φ是翅膀角度

11. Gyroscope 陀螺儀是做為橫搖角度的感測器 這元件產生的電壓正比於橫搖角度 方程式如下： Vroll = Kgyro * Ψroll Kgyro = 11.46 V/rad

12. Model of the Waves(1) 海浪產生的干擾力矩被模擬成一個隨機訊號，它的頻譜 由下面方程式產生： Sxi(ω)=(αg^2/ω^5)*e^-β(g/vω)^4 g是重力，v是風速， α 、β是常數

13. Model of the Waves(2)

14. Identification From Experimental Data • 在平靜的海面進行測量 • 船速維持在35節 • 輸入方波到電動液壓系統 • 每50毫秒收集一次橫搖角度和翅膀角度的變化對船造成的影響 • 用LS來建模電動液壓系統和船的轉移函數

16. Design of a Lead Controller • 建立一個比例領先控制器 • 補償器的主要規格設計範圍在0.2~3rad/s • 避免控制器的飽和 • 在感興趣的頻率範圍內減少干擾的影響

19. Adaptive LQ Controller • 藉由改變增益值適應相對應的海況 • 使用類神經網路，在任何時間插入適當的增益值到控制器 • 均方誤差公式： tf =80s， Ψ是橫搖角度

20. 在三種不同風速下，對於相同干擾訊號，分別測試開路、在三種不同風速下，對於相同干擾訊號，分別測試開路、 領先控制器和LQR的橫搖均方誤差。

23. 結論 • 本論文介紹自動橫搖穩定系統的各個設計步驟 • 由於不同的海況和飽和度的限制，單線性控制器無法對所有情況做最佳化，使用適應控制器去調整增益值比領先控制器的效果還要好。

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26. The End