不同海情下的大型船舶航向、航迹控制方法研究

摘要

本文建立了大型水面船三自由度操纵运动数学模型，以及风干扰数学模型、二阶波浪干扰数学模型和均匀定常流干扰数学模型。分别对静水中和风浪流干扰下的大型水面船的回转特性和航向不稳定性进行了仿真研究。在以上研究的基础上，将传统PID控制理论与遗传算法相结合，设计了基于遗传算法离线整定PID航向控制器和基于自适应遗传算法在线整定的PID航向控制器，最后进行了航迹控制器的设计，对不同海情下的航向、航迹控制进行了仿真研究。本文的研究内容及成果如下: 1、在静水中，给定不同的命令舵角进行回转性试验，仿真结果表明，所建立的大型水面船三自由度操纵性数学模型是合理有效的，船舶最终进入定常回转运动，且所给命令舵角越大，回转直径越小。 2、船舶在风、浪、流中作右舵回转运动，不同大小的风、浪、流对于船舶回转影响不同，风、浪、流越强烈，对回转轨迹影响越大。 3、讨论并验证了某大型水面船的航向不稳定性。对于运动不稳定的船舶，加上瞬间外干扰后，航向偏离越来越大。纵向速度u，横向速度v，回转角速度r以及各方向的外力均产生瞬间阶越响应，而后稳定在某一常值上，最终在流体动力的作用下船舶将进入某个定常回转状态。 4、针对传统PID控制不能对外界环境变化做出及时反映，整定往往是靠操作人员的经验来调整，难以满足控制要求这一缺陷，设计了基于遗传算法的离线整定PID控制器和基于自适应遗传算法在线整定的PID航向控制器。仿真试验表明，这种自动舵响应快，无超调，上升快，鲁棒性好，具有较好的航向保持和变化能力。 5、研究了航迹控制方法，并对船舶航迹进行跟踪，由仿真结果可见，设计的航迹跟踪系统能够较好地进行航迹控制，舵角响应速度快且平稳，航向变化平滑，无较大抖动，航迹响应稳定性能好。

目录

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2自动舵的研究现状及发展趋势

1.2.1船舶自动舵的研究现状

1.2.2自动舵发展趋势

1.3遗传算法的发展过程、研究现状及其主要特点

1.4论文的主要工作

第2章 大型水面船操纵运动模型

2.1引言

2.2 MMG大型水面船操纵运动数学模型

2.2.1建模的条件和要求

2.2.2 MMG操纵运动模型

2.3 附加质量和附加惯性矩的计算

2.4粘性流体动力及力矩的计算模型

2.4.1线性流体动力导数的近似估算

2.4.2纵向流体动力导数的近似估算

2.4.3非线性流体动力导数的近似估算公式

2.5螺旋桨上的流体动力和力矩

2.6作用于舵上的流体动力和力矩

2.7船舶运动的干扰力数学模型

2.7.1风的干扰力数学模型

2.7.2二阶波浪干扰力数学模型

2.7.3流的干扰力数学模型

2.9本章小结

第3章 大型水面船平面运动仿真

3.1引言

3.2系统仿真中的计算机实现

3.3某大型水面船平面运动仿真

3.3.1水平定常回转性能验证

3.3.2关于大型水面船航向不稳定性讨论

3.4本章小结

第4章 大型水面船航向控制器的设计

4.1引言

4.2遗传算法的基本原理

4.2.1遗传算法的基本操作

4.2.2遗传算法的构成要素

4.2.3遗传算法应用的基本步骤

4.3航向控制的基本原理

4.4传统PID控制器

4.5基于遗传算法的PID参数离线寻优

4.5.1基本原理

4.5.2仿真曲线

4.6 基于自适应在线遗传算法整定的PID航向控制器

4.6.1基本原理

4.6.2仿真曲线

4.7本章小结

第5章 大型水面船航迹控制器的设计

5.1引言

5.2航迹分类

5.3航迹控制方法研究

5.4航迹误差计算

5.5航迹控制器的设计与仿真

5.5.1基于自适应在线遗传整定的航迹直接控制器

5.5.2基于自适应在线遗传整定的航迹间接控制器

5.6本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致 谢