船舶航迹智能控制系统的研究

论文摘要

随着人们对海洋资源不断的开发和利用,作为海上运输工具的船舶向大型化和高速化发展,海上交通密度不断加大,航行安全越来越受到威胁,因而对船舶的运动控制提出了更高的要求。对于长时间航行来说,航迹控制十分必要,它可以减少船员劳动强度,增加安全性。本文提出了一种基于遗传算法优化模糊规则的直接式航迹控制方法。首先,建立了船舶操纵运动的模型,根据舵电液伺服系统的组成建立了舵机的模型。船舶航行过程中,海浪对船舶航行会产生直接影响,因此对海浪干扰也进行了建模。其次,航迹控制是本文的关键,因此分析航迹控制的基本原理、航迹控制方案、航迹计算,为设计航迹控制器做好理论准备。再次,PID控制器主要是适用于有精确数学模型的线性系统,而对于船舶运动这类无法建立精确模型的非线性系统,PID控制不在适用,因此设计了模糊控制器来解决这个问题。然后,针对在设计模糊控制器的过程中,模糊规则的获取有很大的主观性和不确定性。从能量损耗和航迹控制精度的角度选取系统的性能指标,提出了用遗传算法优化模糊规则以改进模糊控制器的控制性能。最后,在多种海情不同遭遇角下对船舶航迹控制系统进行了仿真。给出了PID、模糊、GA-FC三种控制系统的仿真曲线和统计值,并进行了对比。结果表明经遗传算法优化后的模糊控制器,控制精度高,船舶到达计划航线的时间短,而且可以节省系统的能量损耗。用遗传算法优化模糊规则是一种有效的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 船舶操纵控制技术的发展及现状
• 1.3 船舶航迹保持
• 1.4 模糊控制
• 1.4.1 模糊控制的产生和发展
• 1.4.2 模糊控制理论的研究方向
• 1.5 遗传算法
• 1.5.1 遗传算法的产生和发展
• 1.5.2 遗传算法的特点
• 1.6 本文所做的工作
• 第2章 船舶操纵运动数学建模
• 2.1 船舶操纵运动数学模型
• 2.1.1 船舶操纵运动坐标系
• 2.1.2 基本运动方程
• 2.2 MMG数学模型
• 2.2.1 MMG数学模型
• 2.2.2 MMG数学模型的分析
• 2.3 舵液压伺服驱动系统数学模型
• 2.3.1 自动舵液压伺服系统结构
• 2.3.2 自动舵液压伺服系统各环节分析
• 2.4 随机海浪干扰仿真模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 船舶航迹控制方案及航迹计算
• 3.1 船舶航迹控制
• 3.1.1 船舶航迹控制原理
• 3.1.2 航迹控制方案
• 3.2 航迹计算
• 3.3 航迹偏差的计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 船舶航迹智能控制系统研究
• 4.1 船舶航迹模糊控制器的设计
• 4.1.1 模糊控制理论基础
• 4.1.2 模糊控制器的基本原理
• 4.1.3 模糊航迹控制器的设计
• 4.2 GA-FC优化航迹控制器设计
• 4.2.1 GA-FC优化控制器问题的提出
• 4.2.2 遗传算法的基本步骤
• 4.2.3 GA-FC优化控制器的设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统仿真
• 5.1 仿真结果及分析
• 5.2 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