不完全驱动船舶直线航迹控制系统的研究与设计

论文摘要

随着航运业的发展,港口日趋繁忙,对各种船舶操纵性能的要求日益提高;而对于如海洋石油开采、地质勘探等动力定位船舶,对航向、航迹的控制精度要求则更高;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种特点设计性能稳定、控制精度高的船舶控制系统已成为当今世界上主要航运国家的一个重要研究课题。本文在查阅大量文献的基础上,针对船舶航迹控制的不完全驱动特性及船舶运动控制自身具有的非线性特点,研究设计了船舶直线航迹控制器。本文的主要研究内容和取得结果如下:1、介绍了国内外船舶控制系统的研究现状,分析了船舶6自由度运动的方程具有的不完全驱动特性。2、建立了船舶直线航迹跟踪控制系统3自由度的非线性数学模型,为航迹控制器的设计打下了基础。3、基于Lyapunov直接法和Backstepping技术研究设计了不完全驱动船舶直线航迹控制器,克服了艏摇角速度不能为零的局限,解决了传统船舶控制系统频繁动舵的问题,有效地实现了船舶的直线航迹跟踪。4、基于ARM嵌入式系统的硬件架构,引入GPS导航系统测量船舶的实时船位信息,设计数字式船舶自动操舵仪;控制器设计为随动、航向和航迹多种控制模式共存的实现方式,增加了船舶控制系统的安全冗余。5、最后,对本文进行了总结,并提出了一些进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 船舶运动控制系统的概述
• 1.2.1 船舶运动的手动控制和自动控制
• 1.2.2 船舶自动操舵仪
• 1.2.3 船舶运动控制研究的基本问题
• 1.3 研究历史和现状
• 1.4 本文主要内容和章节安排
• 第2章 船舶运动模型及其特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 船舶6自由度运动方程
• 2.3 船舶水平面运动的不完全驱动特性
• 2.3.1 微分同胚变换
• 2.3.2 系统的不完全驱动特性
• 2.3.3 系统的非完整性
• 2.4 船舶运动控制系统的模型分析
• 2.4.1 船舶运动的数学模型
• 2.4.2 船舶运动中的干扰分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 船舶直线航迹控制器的设计与仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 非线性系统设计方法
• 3.3 船舶直接航迹控制器设计
• 3.3.1 Backstepping方法
• 3.3.2 控制器的设计和稳定性分析
• 3.4 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶航迹控制系统的硬件设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 基于ARM的船舶航迹控制系统设计
• 4.2.1 系统整体架构
• 4.2.2 系统硬件实现
• 4.2.3 系统软件设计
• 4.2.4 控制算法设计
• 4.3 系统的主要功能实现
• 4.3.1 主操作台功能介绍
• 4.3.2 各模式下功能简介
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果