模糊自整定PID航向控制算法优化及应用

摘要

船舶自动舵的产生不仅有效降低了驾驶员操舵的工作量，而且为船舶航行安全带来更大保障。我校研发的船舶智能操控(SIHC)仿真平台集成了模糊自整定PID(以下简称FSTPID)航向控制算法，为船舶智能避碰决策算法研究的自动避碰实施监控仿真发挥了积极的作用。但研究发现算法的品质会影响测试的效果，本文针对FSTPID航向控制算法对不同类型船模存在的适应性问题，围绕提高算法的适应性及其在特种船自动控制的应用，主要做了如下研究工作:
　　(1)不同类型船舶一阶响应模型的构建。为了实现船舶运动的仿真，方便测试航向自动控制算法对不同类型船舶的适应性，采用简易K、T计算方法，获得不同类型船舶典型自动避让操舵角作用下的K、T值;借助MATLAB仿真软件，实现了不同类型船舶一阶响应型船模的构建，为本文船舶仿真测试提供模型基础。
　　(2) FSTPID航向控制算法优化。在阐述PID控制器初始值优化原理的基础上，剖析原有FSTPID航向控制算法适应性问题产生的主要原因;针对20°操舵角的K、T值由10°舵角经验公式计算的K、T值替代对PID初始值优化效果产生的影响，20°操舵角的K、T值取自简易K、T辨识计算结果;参考不同系统阻尼系数ξ对二阶系统控制性能的影响规律，采用仿真实验方法及优化的航向跟踪加权综合评判法，设计不同类型船舶ξ值的选择优化策略;通过改善K、T值精度及选择合理的ξ值，改善FSPID初始值的优化效果，实现了航向控制算法的优化。
　　(3)改进型FSTPID控航向制算法集成及仿真验证。将优化后的算法集成到SIHC仿真平台，开展算法的性能测试与分析，验证算法优化的结果。仿真结果表明:改进型FSTPID航向控制算法改善了不同类型实验船模的航向跟踪性能，提高了算法对不同船型的适应性。
　　(4)改进型FSTPID航向控制算法在汽渡轮航向自动控制的初步应用探讨。针对汽渡轮的操纵特点，基于已构建的对角分布全旋回汽渡轮MMG模型，通过Z型实验获取的K、T值建立KT响应模型;借助MATLAB仿真实验方法初步验证了两种模型等效性;选取汽渡轮航向控制系统合理的阻尼系数，进一步完善改进型FSTPID控制算法。仿真结果表明:初步验证了FSTPID航向控制算法在汽渡轮航向自动控制应用的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作

第2章 船舶运动数学模型的建立

2．1 船舶运动坐标系

2．2 分离型船舶运动数学模型

2．3 响应型船舶运动数学模型

2．3．1 船舶模型推导

2．3．2 不同类型船舶KT响应模型的构建

2．4 MMG模型与响应型旋回实验测试

2．5 本章小结

第3章 模糊自整定PID航向控制算法

3．1 船舶航向控制原理

3．2 航向PID控制器

3．2．1 PID控制原理

3．2．2 传统PID控制原理特点

3．2．3 FSTPID航向自动舵原理

3．3 PID航向控制器初始参数自动确定算法

3．3．1 PID初始参数最优化方法

3．3．2 PID初始参数自动确定算法

3．4 本章小结

第4章 FSTPID航向控制算法优化及仿真

4．1 航向跟踪性能评判算法及优化

4．1．1 加权综合评判法

4．1．2 加权综合评判法的优化

4．2 FSTPID航向控制算法优化

4．2．1 算法优化的理论依据

4．2．2 K／T简易计算方法

4．2．3 二阶系统阻尼系数ξ合理选取

4．3 改进型FSTPID航向控制算法仿真验证

4．3．1 静态环境下理想阻尼系数ξ的选取及其仿真结果

4．3．2 动态环境下理想阻尼系数ξ的选取及其仿真结果

4．3．3 ξ取值的选择优化策略

4．4 本章小结

第5章 改进型FSTPID控制算法集成及应用

5．1 船舶智能操控仿真平台简介

5．2 改进型FSTPID航向控制算法集成及验证

5．2．1 控制算法集成

5．2．2 控制算法验证

5．3 改进型FSTPID航向控制算法应用

5．3．1 汽渡轮结构及其操纵设备特点

5．3．2 汽渡轮响应模型的构建及其等效性验证

5．3．3 汽渡轮FSTPID航向控制算法理想阻尼系数的获取

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文