本文選題：航跡控制　切入點：制導算法　出處：《吉林大學》2014年碩士論文

【摘要】：自動操舵儀是船舶重要的控制設備，具有航向控制和航跡控制兩種自動控制模式。隨著控制理論的日益完善和科學技術的不斷發(fā)展，人們對自動操舵儀有了更高的要求，亟需研究出更為節(jié)能、經(jīng)濟、安全的航跡控制算法。本文順應船舶運動控制的發(fā)展潮流，從提高船舶航行穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性的角度出發(fā)，以控制精度高、抗干擾能力強、操舵次數(shù)少的控制性能為研究目標，結合新型制導算法和最優(yōu)航向控制算法設計出一種經(jīng)濟實用的航跡控制算法，為提高國內(nèi)航跡控制水平貢獻一份力量。 首先，研究船舶運動數(shù)學模型的建模方法。為了更真實可靠地獲取航跡控制算法的測試數(shù)據(jù)，本文參考IEC62065的船舶模型結構，分別研究了船舶的推進裝置、舵機裝置、縱移運動、橫移運動和艏搖轉動的數(shù)學建模方法，并且通過分析船舶航行中的環(huán)境干擾因素，建立了海浪和海流的數(shù)學模型。本文還提出了一種簡單實用的船位推算方法，能夠準確地模擬出船舶的位置變化情況。通過分析船舶回轉試驗的仿真結果得出：本文的船舶建模方法具有較高的仿真精度，能夠用于船舶航跡控制算法的仿真研究。 其次，研究船舶航跡制導算法。本文的制導算法主要包括航跡計算、直航制導和曲線制導。關于航跡計算，研究了船舶航行偏差的計算方法，并提出了一種新型實用的計算大圓航法航行偏差的方法。關于直航制導，本文基于雙曲正切函數(shù)的平滑漸近特性，提出了一種新型的雙曲制導方法，能夠提高船舶直航跟蹤速率，避免位置超調(diào)。關于曲線制導，本文基于李雅普諾夫穩(wěn)定性函數(shù)，提出了一種逆向分步的計算方法，計算出能夠使系統(tǒng)全局漸進穩(wěn)定的指令轉向速率，并給出了針對海流干擾的修正公式。 再次，研究船舶航向控制算法。本文將反饋線性化算法和最優(yōu)控制算法結合，創(chuàng)新性地提出了針對非線性船舶模型的反饋線性化最優(yōu)航向控制算法。該算法不僅具有船舶艏向控制功能，還能夠完成船舶轉向速率控制，是一種綜合型的航向控制算法，能夠有效地降低程序的空間復雜度。為了解決海浪干擾造成的頻繁操舵問題，本文針對非線性船舶模型和海浪干擾模型，，設計出一類擴展狀態(tài)觀測器，并給出反饋增益矩陣的計算公式。經(jīng)過對多種類型船舶的試驗結果得出，本文的航向控制算法具有抗干擾能力強、操舵次數(shù)少和操舵幅度小的優(yōu)點。 最后，研究并設計船舶運動控制仿真系統(tǒng)。本文從提高仿真效率的角度出發(fā)，基于Matlab和VC++的混合編程技術，仿照真實的船舶控制環(huán)境，設計出一種單機非實時的船舶運動控制仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由航跡控制器、舵機執(zhí)行機構、舵機反饋機構、船舶運動模擬器和電子海圖組成。系統(tǒng)仿真時間大約為真實時間的0.01倍，能夠有效地提高仿真效率，且界面友好、操作簡單的電子海圖模塊為仿真測試提供了可視化的信息顯示，能夠在線快速地分析航跡控制算法的性能。 應用船舶運動控制仿真系統(tǒng)對不同測試場景下的航跡控制算法的性能進行仿真測試，得出：本文的航跡控制算法具有控制精度高、抗干擾能力強、操舵次數(shù)少的控制性能，達到了預期的目標。
[Abstract]:Autopilot is an important equipment of ship control, course control and track control two automatic control mode. With the development of control theory and improvement of science and technology, people have higher requirements on autopilot, need to study more energy saving, economy and safety. This paper track control algorithm conform to the trend of development of ship motion control, from improving ship stability, safety and economic point of view, with high control precision, strong anti-interference ability, less steering control performance as the research object, combined with the new type of guidance algorithm and optimal control algorithm design course tracking control algorithm of a kind of economical and practical. In order to improve the control level of domestic track contribution to a force.
First, study on modeling methods of ship motion mathematical model. In order to obtain more reliable tracking control algorithm of ship model test data, based on the IEC62065 structure, respectively study the propulsion device, the ship's steering gear device, longitudinal motion, lateral motion and yaw mathematical modeling method of the rotation, and through the analysis of ship interference environment the voyage factors, establishes a mathematical model of wave and current. This paper also puts forward a simple and practical method for calculating the position, can accurately simulate the position changes of the ship. By the simulation analysis of ship turning test results show that the simulation accuracy of ship modeling method in this paper is high, can be used for simulation research the ship track control algorithm.
Secondly, the ship trajectory guidance algorithm. The algorithm mainly includes guidance path calculation, direct guidance and guidance. On the track curve calculation, studies the calculation methods of ship navigation deviation, and puts forward the method to calculate the great circle a new practical navigation deviation. A direct guidance, the smooth asymptotic properties of hyperbolic tangent function based on, we put forward a new hyperbolic guidance method can improve the ship direct tracking rate, avoid position overshoot. The Li Yapu curve on the guidance, based on Lyapunov function, presents a reverse stepwise calculation method, calculated to make the system globally asymptotically stable instruction steering rate, and gives the correction formula of current disturbance.
Again, research on Algorithm of ship heading control. The feedback algorithm and optimal control algorithm of linear combination, put forward the innovation of the feedback linearization optimal control algorithm for nonlinear ship course model. The algorithm not only has the ship heading control function, can also complete the ship turning rate control algorithm is a comprehensive course control, can effectively reduce the complexity of the program space. In order to solve the problems caused by frequent steering wave interference, the nonlinear ship model and wave interference model, designed the extended state observer for a class, and gives the calculation formula of the feedback gain matrix. Through the test of various types of ships the course control algorithm in this paper has strong anti-interference ability, low frequency and small amplitude of steering steering advantages.
Finally, the research and design of ship motion control simulation system. This paper from the perspective of how to improve the efficiency of simulation, the mixed programming technology of Matlab and VC++ based ship modeled on real control environment, designs the non real-time simulation system for ship motion control of a single machine. The system is mainly composed of a track controller, servo actuator, servo feedback mechanism, ship motion simulator and electronic chart system simulation. The time is about 0.01 times of real time, can effectively improve the efficiency of simulation, and friendly interface, simple operation of the electronic chart module provides visual information for the simulation test shows, can quickly analyze the performance of online tracking control algorithm.
The ship motion control simulation system is applied to simulate the performance of the track control algorithm under different test scenarios. It is concluded that the track control algorithm in this paper has high control accuracy, strong anti-interference ability and few steering times, and achieves the desired goal.

【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U675.7;TP301.6

【共引文獻】

相關期刊論文 前10條

1 彭靖波;謝壽生;胡金海;;基于遺傳算法的某型渦扇發(fā)動機數(shù)字PID控制器設計[J];燃氣渦輪試驗與研究;2008年01期

2 劉文江;隋青美;周風余;;基于自抗擾控制技術的船舶直線航跡控制器設計[J];山東大學學報(工學版);2010年06期

3 王立軍;畢修穎;王思思;;一種FLC-PID混合控制自動舵研究[J];上海造船;2010年04期

4 汪明慧;余永權;曾碧;;基于ANFIS的船舶航向控制系統(tǒng)的設計[J];計算機工程與設計;2010年15期

5 孫宏放;彭秀艷;王金朋;王禹;;船舶航向反步自適應控制[J];沈陽工業(yè)大學學報;2013年04期

6 沈凌;喻洪流;;電控液壓膝關節(jié)控制方案設計及計算機實例仿真[J];中國組織工程研究與臨床康復;2008年35期

7 葉光;郭晨;;基于模擬退火-強化學習算法的船舶運動控制[J];系統(tǒng)仿真學報;2006年05期

8 羅偉林;鄒早建;;基于最小二乘支持向量機的船舶操縱運動建模[J];系統(tǒng)仿真學報;2008年13期

9 張志勇;文桂林;;時變時滯系統(tǒng)的灰色預測非線性PID控制[J];系統(tǒng)仿真學報;2009年09期

10 姚海;鮑勁松;金燁;;基于海況環(huán)境激勵的某船載裝置動力學分析[J];系統(tǒng)仿真學報;2009年24期

相關會議論文 前6條

1 柴毅;凌睿;;基于參數(shù)優(yōu)化與GRNN逼近的非線性PID控制[A];第二十六屆中國控制會議論文集[C];2007年

2 Hearn Grant E;;Ship Intelligent Autopilot in Narrow Water[A];第二十七屆中國控制會議論文集[C];2008年

3 王鴻輝;袁朝輝;陳楸;;基于自適應PID的平流層球載系統(tǒng)方位控制研究[A];第二十九屆中國控制會議論文集[C];2010年

4 王立軍;;船舶運動模糊邏輯PID混合控制研究[A];中國航�？萍純�(yōu)秀論文集（2010）[C];2010年

5 鄒早建;;船舶操縱性研究進展[A];第六屆船舶力學學術委員會全體會議專集[C];2006年

6 劉楊;郭晨;沈智鵬;劉雨;郭迪;;欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤的神經(jīng)網(wǎng)絡穩(wěn)定自適應控制[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第八分冊）[控制理論與應用（專刊）][C];2009年

相關博士學位論文 前10條

1 戴運桃;粒子群優(yōu)化算法研究及其在船舶運動參數(shù)辨識中的應用[D];哈爾濱工程大學;2010年

2 李高云;大型船舶航向/航跡智能容錯控制研究[D];哈爾濱工程大學;2010年

3 王龍金;零/低航速減搖鰭升力模型及系統(tǒng)控制策略研究[D];哈爾濱工程大學;2009年

4 薛雅麗;基于軌跡線性化方法的近空間飛行器魯棒自適應控制研究[D];南京航空航天大學;2010年

5 程相勤;基于滑模理論的欠驅(qū)動UUV空間曲線路徑跟蹤控制[D];哈爾濱工程大學;2011年

6 楊雪晶;基于智能模型的船舶橫向運動控制研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

7 吳恭興;無人艇操縱性與智能控制技術研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

8 錢艷平;互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制算法若干問題研究[D];東南大學;2006年

9 袁士春;船舶運動與主推進線性變參數(shù)聯(lián)合控制的研究[D];大連海事大學;2007年

10 葉光;基于VV&A的船舶運動控制系統(tǒng)仿真的研究[D];大連海事大學;2007年

相關碩士學位論文 前10條

1 吳晗;大型艦船操縱性理論預報及視景仿真[D];哈爾濱工程大學;2010年

2 丁輝;交流伺服驅(qū)動器的實現(xiàn)及其速度環(huán)非線性控制算法的研究[D];浙江大學;2011年

3 張馨文;基于反步法的欠驅(qū)動船舶直線航跡跟蹤控制[D];大連海事大學;2011年

4 沈錫;基于粒子群優(yōu)化算法的船舶航向PID控制[D];大連海事大學;2011年

5 李飛;遺傳算法的改進及其在神經(jīng)網(wǎng)絡控制中的應用研究[D];東北石油大學;2011年

6 俞愛蘭;柔性機械臂振動控制及優(yōu)化研究[D];華東交通大學;2011年

7 王金朋;船舶航向反步自適應控制方法研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

8 趙桂梅;船舶航跡/航向控制系統(tǒng)可視化仿真[D];哈爾濱工程大學;2011年

9 洪俊芳;船舶航向/航跡控制視景仿真技術研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

10 張彪;基于黃金分割的船舶航向自適應控制方法研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

本文編號：1658019