船舶航迹控制技术研究

论文摘要

本论文主要对船舶航迹控制系统展开研究。船舶是借助螺旋桨的推力和舵力来保持或改变航向和航速的。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,其性能直接影响着船舶航行的操纵性和经济性,它与船舶航行安全、能源节约密切相关,很多专家学者在这一领域进行着深入的研究。因此操舵系统是一个重要的控制系统。航迹控制对于长时间航行的船舶来说是十分必要的。本文结合国家计划内项目的相关课题,主要研究了直接式航迹控制系统。论文首先简要介绍了间接式与直接式航迹控制的设计方案,分析了航迹规划的主要功能,针对墨卡托海图上的恒向线航法,研究了卫星导航船位推算、方位和航程的计算、航迹偏差计算、航迹偏差计算中参考点的选取以及航迹偏差形成的一般方法和解析方法。船舶操纵运动数学模型的准确性直接影响着航迹控制系统的精度。并且由于风、流、海浪对船舶运动会产生直接影响,因此论文在建立了船舶非线性与线性数学模型的基础上,对风、流、海浪的干扰也进行了建模,并对海浪干扰力(力矩)进行了仿真分析。因为船舶导航系统的定位精度与航迹控制系统的精度密切相关,所以论文在分析了各种单一导航系统的基础上,应用卡尔曼滤波技术对GPS/SINS组合导航系统进行了建模与仿真研究。仿真结果表明,组合导航系统误差振动幅度小,定位精度高,能够满足船舶航迹控制的精度要求。直接式航迹控制与航向控制是密切相关的,因此本文在搭建了直接式航迹控制系统Simulink仿真框图的基础上,对数字PID航向自动舵进行了计算机仿真分析,仿真结果表明自适应PID控制相对非自适应控制而言具有良好的动态与稳态性能,控制效果良好。最后,论文对直接式船舶航迹控制系统进行建模与仿真,仿真结果表明神经网络航迹控制器具有很好的鲁棒性,航向航迹误差很小且具有良好的航迹跟踪精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 船舶操纵控制技术发展
• 1.3 国内外自动舵系统研究概况
• 1.4 船舶定位与控制系统
• 1.5 论文的主要内容安排
• 第2章 船舶航迹控制系统构成方案研究
• 2.1 航迹控制实现方案
• 2.1.1 分离式控制方案
• 2.1.2 综合式控制方案
• 2.2 航迹控制计算方法
• 2.2.1 航迹规划
• 2.2.2 航海计算算法研究
• 2.3 引导问题
• 2.4 航迹偏差形成方法研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 船舶航迹控制系统数学建模
• 3.1 船舶运动坐标系的选择
• 3.2 船舶运动数学建模
• 3.2.1 船舶平面运动非线性数学模型的建立
• 3.2.2 船舶平面运动线性数学模型的建立
• 3.3 船舶干扰数学模型研究及仿真
• 3.3.1 海流干扰数学模型
• 3.3.2 海风干扰数学模型
• 3.3.3 海浪干扰数学模型及仿真
• 3.4 操舵伺服系统的数学模型分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶海上定位技术研究
• 4.1 GPS 导航定位系统
• 4.2 惯性导航定位系统
• 4.3 GPS/SINS 组合导航定位系统
• 4.4 GPS/SINS 组合系统数学模型
• 4.4.1 组合系统状态方程
• 4.4.2 组合系统测量方程
• 4.4.3 组合系统状态方程和量测方程的离散化
• 4.5 卡尔曼滤波在船舶定位中的应用
• 4.6 GPS/SINS 系统仿真实现
• 4.7 本章小结
• 第5章 船舶航迹控制策略研究及仿真
• 5.1 直接式航迹控制系统建模
• 5.2 数字PID 航向自动舵的仿真研究与设计
• 5.2.1 PID 自动舵概述
• 5.2.2 数字PID 自动舵的计算机仿真
• 5.3 神经网络航迹自动舵控制研究
• 5.3.1 人工神经网络应用基础
• 5.3.2 多层前向感知器的BP 训练
• 5.3.3 基于人工神经网络的船舶航迹跟踪控制仿真研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢