基于以太网的船舶航迹控制方法研究

论文摘要

随着航运业的不断发展,船舶航行的密度越来越大,航道与港口变的相当狭窄,从而对船舶航行的安全性和经济性的要求也不断地提高,对航迹与航向的控制精度要求也越来越高；目前的船舶控制系统以航向控制或间接航迹控制系统为主,其控制性能和结构都有待进一步的提高。网络控制系统(Networked Control Systems, NCS)是近十几年随着控制技术、网络技术和计算机应用技术飞速发展而出现的一种新的控制系统理论。以太网作为一种成功的网络技术,在商用和办公化方面得到广泛使用,因为其通信速率高、技术资源丰富、成本低廉,以至于这项技术越来越多地被应用到工业控制中,而船舶自动化系统正在向着数字化、网络化的方向发展,为此本文对基于以太网的船舶航迹控制方法进行研究。本文首先利用MMG(Maneuvering Mathematical Model Group)建模思想建立了船舶三自由度数学模型,并建立了包括风、海浪及海流等干扰力的数学模型。然后分析了传统PID的优缺点,并在此基础上利用一个非线性跟踪微分器(TDⅠ)对输入信号“安排”合理的过渡过程并获取其微分信号,而用另一个非线性跟踪微分器(TDⅡ)复原输出反馈信号并获取其微分信号,而后利用非线性组合方式来处理误差信号、误差积分信号和误差微分信号,较好地解决了快速和超调的矛盾,然后针对闭环控制对时滞系统、非最小相位系统的响应速度慢的缺点,加入了前馈控制,最终产生航迹控制信号。将上述四部分结合便是本文的非线性PID控制器。在船舶转向阶段,设定船舶与转向点的转向距离,船舶到达此距离后,再采用航迹控制器转入下一航迹段。其次,本文在引出了网络控制系统概念的基础上,针对以太网介绍了其随机延迟特性。然后阐述了本文所设计的基丁以太网的船舶控制系统仿真设计原理,介绍了TCP/IP协议,并对网络通信中采用的客户/服务器(C/S)通信模型以及通信原理进行了详细的分析,而且提出了测试平均网络延迟时间的方法。最后,针对网络控制系统中网络环境模型的缺乏,在实际的局域网中完成了基于以太网的船舶航迹控制系统仿真实验。仿真结果表明采用本文中的非线性PID控制器,能够使船舶在航行过程中快速跟踪航迹,达到控制要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 船舶自动舵的研究现状
• 1.3 PID控制的研究现状和发展趋势
• 1.4 网络控制的现状及发展趋势
• 1.5 本论文主要内容
• 第2章 大型水面船舶操纵运动数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 大型水面船舶运动数学模型
• 2.2.1 船舶运动的坐标系与运动学变量
• 2.2.2 船舶运动操纵方程
• 2.2.3 螺旋桨上的流体动力和力矩
• 2.2.4 作用于舵上的流体动力和力矩
• 2.2.5 附加质量与附加惯性矩的计算
• 2.3 环境干扰力的数学模型
• 2.3.1 风的干扰力数学模型
• 2.3.2 浪的干扰力数学模型
• 2.3.3 流的干扰力数学模型
• 2.4 大型船舶平面回转运动仿真
• 2.4.1 回转运动过程分析
• 2.4.2 船舶回转运动仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 非线性PID控制器的研究与设计
• 3.1 引言
• 3.2 数字PID控制
• 3.3 非线性PID控制
• 3.3.1 非线性PID控制器原理与设计
• 3.3.2 跟踪微分器
• 3.3.3 非线性组合理论
• 3.3.4 非线性PID控制器的改进
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于以太网的控制系统分析与设计
• 4.1 引言
• 4.2 以太网实时性分析
• 4.3 基于以太网的控制系统仿真的通信设计
• 4.3.1 网络仿真系统原理分析
• 4.3.2 TCP/IP协议
• 4.3.3 端口
• 4.3.4 客户/服务器模型
• 4.3.5 网络延迟测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于以太网的船舶航迹控制仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 航迹控制方式
• 5.2.1 间接式航迹控制
• 5.2.2 直接式航迹控制
• 5.3 航迹误差计算方法
• 5.4 转向航迹段控制方法
• 5.5 基于以太网的船舶航迹控制仿真实验
• 5.5.1 基于以太网的船舶航迹直接控制仿真实验
• 5.5.2 基于以太网的船舶航迹间接控制仿真实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢