船舶航向模糊控制系统研究

论文摘要

本论文来源于预研项目—航向控制系统故障智能检测仪,作者参与此项研究工作。本文的目的在于提出一种新的航向控制系统,其目标在于改善经典PID控制系统的控制效果。大量实践和理论已经证明模糊控制特别适合于难以建立数学模型、存在非线性和时变性的对象。本文运用模拟退火算法对模糊控制系统的控制参数进行了优化处理,使控制器能更好的适应模型参数摄动和复杂多变环境干扰。最后对所设计的控制系统进行了仿真,获得了理想的控制效果。本文主要进行了以下几项工作:一.根据模糊控制不需要建立精确控制对象模型的特点,确定选取一阶K-T方程（即Nomoto模型）,并根据实船参数计算了K、T参数。二.设计了航向模糊控制器。首先根据所控船舶的运动特点,选取了性能指标,确定隶属函数,结合实际操舵人员的实际经验,制定了控制规则,并结合仿真深入讨论了控制器参数对系统性能的影响。三.设计了模拟退火算法优化程序,实现了对控制器的量化因子和比例因子的最优化。四.建立了航向控制系统的仿真模型并进行了仿真,仿真内容有:海浪干扰的数值仿真,所控制船舶的随动系统仿真,船舶使用的PID航向控制系统仿真,以及设计的模糊航向控制系统仿真等。对航向控制系统的仿真选取了不同海况和不同遭遇角,并根据仿真数据列出了随机统计结果,对比分析了两种控制系统的优劣和改进方向。仿真结果表明,模糊航向控制器控制参数经过优化调整,有较好的控制效果,其控制性能超越了经典的PID控制系统。可以为项目采用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 自动操舵装置的发展和现状
• 1.2.1 自动操舵装置的发展历程
• 1.2.2 自动操舵装置的国内外现状
• 1.3 模糊控制与模拟退火算法的发展及现状
• 1.3.1 模糊控制理论的产生和研究概况
• 1.3.2 模拟退火算法概述
• 1.4 论文主要工作
• 第2章 船舶运动数学模型
• 2.1 船舶操纵运动的数学模型计算
• 2.1.1 两种坐标系
• 2.1.2 两维船舶运动方程式
• 2.1.3 水动力系数无因次化及计算
• 2.1.4 Nomoto模型
• 2.2 干扰的数学模型
• 2.2.1 风的影响模型
• 2.2.2 浪的影响模型
• 2.2.3 流的影响模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 船舶航向模糊控制器的设计
• 3.1 模糊控制基础
• 3.1.1 模糊控制概述
• 3.1.2 模糊集合和模糊关系
• 3.1.3 模糊推理
• 3.1.4 选择隶属函数的原则
• 3.1.5 模糊控制器的常规设计方法
• 3.2 航向模糊控制器的设计
• 3.2.1 被控对象的特点及控制任务
• 3.2.2 航向模糊控制器的设计
• 3.3 模糊控制器参数整定分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 航向模糊控制器参数SA算法寻优
• 4.1 模拟退火算法基础
• 4.1.1 模拟退火算法概述
• 4.1.2 模拟退火算法的基本原理
• 4.1.3 模拟退火算法的冷却进度表
• 4.1.4 模拟退火算法的应用
• 4.1.5 模拟退火算法的改进和变异
• 4.2 航向模糊控制器参数模拟退火算法寻优
• 4.2.1 控制器参数模拟退火算法寻优总体结构
• 4.2.2 控制器参数模拟退火算法寻优设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 航向控制系统仿真
• 5.1 船舶的运动特点及控制要求
• 5.2 航向控制系统模型建模
• 5.3 MATLAB仿真分析
• 5.3.1 海浪干扰的数值仿真
• 5.3.2 航向控制系统仿真
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取科的科研成果
• 致谢