基于黄金分割的船舶航向自适应控制方法研究

论文摘要

本文通过对黄金分割法的学习和研究,设计了一种基于黄金分割法的船舶航向自适应控制器,并在船舶模型参数出现摄动和海浪干扰的情况下进行了仿真研究。作为船舶运动控制的主要研究设计课题,船舶的航向控制器设计一直是至关重要的环节。在现代社会中,船舶航行时的经济性、安全性和舒适性都与船舶的航向控制器都有重要的关系。国内外的许多科研人员一直为改善船舶操纵性能而不懈的努力。在自适应控制系统的启动过程中,如何保证闭环系统的稳定性和动态品质是非常重要的问题。黄金分割自适应控制就是主要针对此类问题提出的。它是黄金分割与最小方差相结合的反馈控制策略。本文先对自动舵的发展历史、国内外相关领域的研究现状进行了回顾和总结。在分析了船舶航向操纵运动的动力学方程基础上建立了数学模型以及风、浪、流的干扰数学模型。简单介绍了船舶航向控制的基本原理,同时研究传统的PID自动舵的数学模型及设计过程。详细阐述了自动舵的控制原理。首先介绍了最小方差的控制与原理并得到了最小方差控制,其次介绍了黄金分割法的基本原理,详细推导了用黄金分割法设计控制器的过程,这种方法设计简单,调试方便,鲁棒性强,过渡过程平稳,易于工程实现。并根据Jury稳定判据,可以证明黄金分割与最小方差相结合的反馈控制策略对于不确定参数估值的稳定性。特别是黄金分割自适应控制,其能保证参数未知系统在过渡过程阶段,参数估计未收敛情况下闭环系统稳定,对于控制性能要求一般的控制系统,它不需要人在现场试凑控制器参数。以船舶航向控制为研究对象,用黄金分割法设计了船舶航向控制器,为了便于学习和研究,首先设计了一种船舶模型参数已知的航向控制器,在取得满意的仿真结果基础上再对含有外界干扰和不确定参数的船舶模型设计自适应航向控制器。对设计的船舶航向控制器在Matlab的Simulink工具箱下进行了仿真验证,仿真结果表明,所设计的黄金分割自适应航向控制器能够很好的跟踪航向的变化,控制舵角变化合理,没有出现频繁打舵情况,特别是当船舶模型参数出现大的摄动时,在控制器参数不变的情况下依然能取得了很好的仿真效果,说明了用此方法设计的船舶航向自适应控制器具有很强的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究课题的背景
• 1.2 船舶航向控制技术的发展现状
• 1.3 论文的主要内容
• 第2章 船舶运动数学模型建立
• 2.1 描述船舶运动的坐标系
• 2.1.1 地面坐标系
• 2.1.2 船体坐标系
• 2.1.3 坐标系的变换
• 2.2 船舶操纵运动方程
• 2.2.1 基本运动方程
• 2.2.2 作用于船舶的外力和力矩
• 2.2.3 船舶操纵运动的线性化微分方程
• 2.2.4 船舶运动KT方程（Nomoto方程）
• 2.3 环境扰动建模
• 2.3.1 海风
• 2.3.2 海流
• 2.3.3 海浪
• 2.4 本章小结
• 第3章 船舶自动舵控制原理
• 3.1 自动舵控制原理
• 3.1.1 船舶操纵装置
• 3.1.2 随动舵工作原理
• 3.1.3 自动舵工作原理
• 3.1.4 航迹控制自动舵工作原理
• 3.2 船舶航向控制中的性能指标
• 3.2.1 航向保持过程的性能指标
• 3.2.2 航向改变过程的性能指标
• 3.3 经典PID自动舵控制原理
• 3.3.1 PID自动舵设计
• 3.3.2 PID控制参数优化
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于黄金分割法的船舶航向控制器设计
• 4.1 最小方差控制
• 4.1.1 最小方差预测
• 4.1.2 最小方差控制
• 4.2 黄金分割控制器研究
• 4.2.1 二阶线性定常系统差分方程的系数范围
• 4.2.2 黄金分割控制
• 4.3 船舶航向黄金分割自适应控制器的设计
• 4.3.1 船舶航向黄金分割自适应控制器
• 4.3.2 黄金分割自适应控制的稳定性
• 4.3.3 控制器参数整定
• 4.3.4 标称系统的实例仿真
• 4.3.5 参考滤波器
• 4.3.6 仿真结果分析
• 4.4 参数摄动和海浪干扰下的仿真
• 4.4.1 参数摄动下的仿真
• 4.4.2 海浪干扰下的仿真
• 4.4.3 参数摄动和海浪干扰共同存在下的仿真
• 4.5 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