相对漂浮船舶动力定位的跟踪控制方法研究

论文摘要

现在动力定位(Dynamic Positioning,DP)系统在研究和应用上都已经非常成熟,但关于相对水面动目标的动力定位技术在国内还不曾具体研究过。本文提出了相对漂浮船舶动力定位的跟踪控制的概念,不是传统的定点定位和循迹跟踪,而是要求定位船跟踪一个在海面上自由漂浮的目标船,使两船始终保持相对固定的位置和艏向,并对该技术进行初步研究。本文建立了动力定位船舶的低频运动和高频运动数学模型、推进器模型、测量模型,同时对风、浪、流等外界环境扰动的数学模型进行描述。自由漂浮船采用了与定位船相同的数学模型进行仿真。给出了定轴推力器与全回转推力器的布置以及推力分配策略。介绍了数字式PID的控制算法,给出了神经网络的学习方式、网络结构等有关概念,着重分析了有关BP网络和对角回归网络(DRNN)的特性。结合相对自由漂浮运动船舶的动力定位系统设计了基于神经网络的BP—PID和DRNN—PID两种控制器用来对定位船加以控制。最后结合所设计的控制器进行仿真研究。同时将DRNN—PID控制器跟BP—PID控制器的控制效果进行比较。最后,通过对系统的仿真结果可以看出,DRNN—PID控制器具有控制精度比较高、响应时间比较短及稳定性比较性强的特点,对不同海流的干扰具有一定的适应能力。同时也验证了本文系统模型的正确性和准确性,表明该控制方法具有一定的理论意义及实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及选题的意义
• 1.2 相对自由漂浮运动船舶的动力定位系统的概念
• 1.2.1 传统动力定位的概念
• 1.2.2 相对漂浮船舶动力定位的概念
• 1.2.3 相对漂浮船舶动力定位的功能
• 1.3 船舶动力定位系统控制方法的发展现状
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 相对漂浮船舶动力定位系统的数学建模
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系的选取与转换
• 2.2.1 固定坐标系
• 2.2.2 运动坐标系
• 2.2.3 平行坐标系
• 2.2.4 运动坐标系与固定坐标系间的转换
• 2.2 船舶模型
• 2.2.1 船舶低频运动模型
• 2.2.2 船舶高频运动模型
• 2.3 环境因素的数学模型
• 2.3.1 风力及风力矩
• 2.3.2 波浪力及力矩的表达
• 2.3.3 流力及力矩
• 2.4 推进器模型
• 2.5 推力分配系统
• 2.6 自由漂浮船与动力定位船舶运动数字仿真
• 2.7 本章小结
• 第3章 PID控制器与神经网络原理及应用
• 3.1 引言
• 3.2 PID控制器的原理与应用
• 3.2.1 PID控制器理论介绍
• 3.2.2 数字PID控制
• 3.3 神经网络基础
• 3.4 BP神经网络
• 3.4.1 BP网络结构
• 3.4.2 BP学习算法
• 3.5 对角回归神经网络
• 3.5.1 对角形递归神经网络的提出
• 3.5.2 对角回归网络结构分析
• 3.5.3 对角回归网络模型及算法
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于神经网络PID在相对漂浮船舶动力定位跟踪系统中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 相对漂浮船舶动力定位跟踪系统位的基本控制原理
• 4.3 相对漂浮船舶动力定位跟踪系统的神经网络PID控制
• 4.3.1 基于BP的PID在相对漂浮船舶的跟踪定位中的设计
• 4.3.2 基于DRNN的PID在相对漂浮船舶的跟踪定位中的设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于神经网络的相对漂浮船舶的动力定位仿真实现
• 5.1 引言
• 5.2 典型环境下的相对定位仿真及分析
• 5.2.1 两船垂直跟踪
• 5.2.2 两船同艏向跟踪
• 5.3 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