船舶舵机建模与航迹舵系统研究

论文摘要

随着航运业的发展,港口日趋繁忙,对船舶航行的安全性和经济性要求不断提高,对航向、航迹的控制精度要求也越来越高;现有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。因此,综合考虑船舶控制系统的各个部分（如舵机伺服系统）,设计控制精度高的船舶控制系统已成为当今一个重要的研究课题。本课题的主要任务是在实际液压舵机模型和船舶四自由度模型的基础上,考虑船舶所受到的环境干扰力影响,对船舶航迹控制的两种方式及控制算法进行了研究。首先,利用MMG（Manoeuvring Mathematical Model Group）建模思想建立了船舶四自由度分离型数学模型及所受环境干扰力（风浪流）模型,基于谱分析理论对变动风和不规则波进行了仿真研究。针对船舶运动控制系统的主要执行机构—液压舵机系统,详细讨论了在船和螺旋桨干扰下的舵力和力矩的计算方法;以某一型号的液压舵机为对象,考虑舵机系统各部分的运动方程及其系统的控制方法,使用SIMULINK工具箱,在一定简化条件下建立了其动态数学模型,充分考虑操舵伺服系统这一舵角闭环的动态行为。船舶的航迹控制是本文另一个重点研究内容,其中对航迹控制的控制方式、航迹误差的计算以及转向航迹段的控制策略进行了研究。针对间接法和直接法,采用开关切换型模糊-PID和PID两种算法设计了航迹控制器。不同的海情下,在转向航迹段使用转向控制策略,使用开关切换型模糊-PID控制器对航迹控制进行了仿真。本文所设计的船舶航迹控制系统,对大型水面舰船的航行安全有一定参考价值,其中转向处转向控制策略的增加进一步提高了航迹跟踪的精度;液压舵机作为船舶运动控制系统的一个子系统,数学模型的建立及对其动态特性的研究,为研究船舶航向、航迹控制的准确性提供了条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 船舶自动舵的研究现状
• 1.3 模糊控制在自动舵应用中的研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 船舶运动及环境干扰力数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 环境干扰力数学模型
• 2.2.1 风的干扰力模型
• 2.2.2 浪的干扰力模型
• 2.2.3 流的干扰力模型
• 2.3 船舶运动数学模型
• 2.3.1 船舶运动的坐标系统
• 2.3.2 船舶运动操纵方程
• 2.3.3 螺旋桨流体动力及力矩
• 2.4 本章小结
• 第3章 液压舵机模型及航迹控制方法分析
• 3.1 引言
• 3.2 舵机模型及舵力的计算
• 3.2.1 舵力及力矩的计算
• 3.2.1.1 舵正压力的计算
• 3.2.1.2 有效功角的计算
• 3.2.1.3 舵系数的计算
• 3.2.2 液压舵机模型及其自身控制系统
• 3.2.2.1 通用舵机简化模型
• 3.2.2.2 舵机系统建模条件和工作原理
• 3.2.2.3 舵机系统建模及仿真结果
• 3.3 航迹控制的方式
• 3.3.1 直接法航迹控制
• 3.3.2 间接法航迹控制
• 3.4 转向航迹段控制策略及仿真结果
• 3.5 直线航迹段航迹误差计算方法
• 3.6 本章小结
• 第4章 船舶航迹模糊-PID控制
• 4.1 引言
• 4.2 数字PID控制原理
• 4.3 模糊控制相关原理
• 4.3.1 模糊控制概述
• 4.3.2 精确量的模糊化
• 4.3.3 模糊控制知识库
• 4.3.4 模糊推理方法
• 4.3.5 模糊量的精确化
• 4.4 模糊PID控制的三种形式在船舶控制中的应用
• 4.4.1 混合型模糊PID控制器
• 4.4.2 开关切换型模糊PID控制器
• 4.4.3 模糊自整定PID控制器
• 4.5 本章小结
• 第5章 船舶航迹舵设计及仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 间接法航迹控制器设计
• 5.2.1 间接法模糊-PID航迹控制器
• 5.2.2 不同海情下间接法模糊-PID航迹控制器仿真结果
• 5.3 直接法航迹控制器设计
• 5.3.1 直接法模糊-PID航迹控制器
• 5.3.2 不同海情下直接法模糊-PID航迹控制器仿真结果
• 5.4 航迹控制中使用两种控制方式和两种舵机模型仿真结果
• 5.5 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