不同海情下的大型船舶航向、航迹控制方法研究

论文摘要

随着世界贸易的迅速发展,港口航运业发展相当迅猛,海上航行船舶的数量、类型和吨位都发生了巨大的变化。港口环境变得拥挤、更加危险,导致船舶出入港口的时间大量增加。为了减少事故的发生,对船舶的操纵性能要求日益提高。用于船舶操纵的自动舵是船舶控制系统中不可缺少的重要设备,我国船舶上广泛采用的PID舵具有航向控制功能,但由于船舶航行的复杂性和PID控制器本身的局限性,常规PID自动舵仍然存在着很多不足。考虑到上述情况本文提出了基于遗传算法的航向、航迹控制策略。采用MMG分离式数学建模思想建立了大型水面船三自由度操纵运动数学模型,并分别对该模型中流体动力和力矩、螺旋桨推力和力矩、作用于舵上的流体动力和力矩、风浪流所产生的干扰力和力矩进行了分析。且建模中充分考虑大型水面船的运动特点和风、浪、流的干扰特性。利用VC++语言和MATLAB软件,对建模所得出的一阶常系数微分方程组进行数值求解,在此基础上对大型水面船在静水中和风浪流干扰下的回转运动分别进行了模型仿真验证,并对大型水面船的航向稳定性进行了分析讨论,最后给出了仿真实例。将遗传算法理论和经典的PID控制理论相结合,设计了船舶航向控制器和航迹控制器,并且应用这种控制方法对大型水面船的航向、航迹进行控制仿真。仿真结果表明,本文所建立的大型水面船三自由度操纵运动数学模型正确、实用,设计的航向、航迹控制器在不同海情干扰下具有良好的控制性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 自动舵的研究现状及发展趋势
• 1.2.1 船舶自动舵的研究现状
• 1.2.2 自动舵发展趋势
• 1.3 遗传算法的发展过程、研究现状及其主要特点
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 大型水面船操纵运动模型
• 2.1 引言
• 2.2 MMG大型水面船操纵运动数学模型
• 2.2.1 建模的条件和要求
• 2.2.2 MMG操纵运动模型
• 2.3 附加质量和附加惯性矩的计算
• 2.4 粘性流体动力及力矩的计算模型
• 2.4.1 线性流体动力导数的近似估算
• 2.4.2 纵向流体动力导数的近似估算
• 2.4.3 非线性流体动力导数的近似估算公式
• 2.5 螺旋桨上的流体动力和力矩
• 2.6 作用于舵上的流体动力和力矩
• 2.7 船舶运动的干扰力数学模型
• 2.7.1 风的干扰力数学模型
• 2.7.2 二阶波浪干扰力数学模型
• 2.7.3 流的干扰力数学模型
• 2.9 本章小结
• 第3章 大型水面船平面运动仿真
• 3.1 引言
• 3.2 系统仿真中的计算机实现
• 3.3 某大型水面船平面运动仿真
• 3.3.1 水平定常回转性能验证
• 3.3.2 关于大型水面船航向不稳定性讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 大型水面船航向控制器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 遗传算法的基本原理
• 4.2.1 遗传算法的基本操作
• 4.2.2 遗传算法的构成要素
• 4.2.3 遗传算法应用的基本步骤
• 4.3 航向控制的基本原理
• 4.4 传统PID控制器
• 4.5 基于遗传算法的PID参数离线寻优
• 4.5.1 基本原理
• 4.5.2 仿真曲线
• 4.6 基于自适应在线遗传算法整定的PID航向控制器
• 4.6.1 基本原理
• 4.6.2 仿真曲线
• 4.7 本章小结
• 第5章 大型水面船航迹控制器的设计
• 5.1 引言
• 5.2 航迹分类
• 5.3 航迹控制方法研究
• 5.4 航迹误差计算
• 5.5 航迹控制器的设计与仿真
• 5.5.1 基于自适应在线遗传整定的航迹直接控制器
• 5.5.2 基于自适应在线遗传整定的航迹间接控制器
• 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