船舶适航性与操纵性自航模系统设计

摘要

船舶是一个具有多自由度,非线性严重,并且航行环境复杂的系统,因此船舶操纵性能的优良不容忽视,而且是迫切需要研究、解决的关键技术之一。本文针对船舶适航性与操纵性进行自航模系统设计,采用模糊自适应PID控制技术,并对其在自航模速度控制和航向控制的应用进行了深入的研究。
　　 首先,根据母型船的尺寸,按照一定缩尺比,进行自航模型的型线设计和总体结构布局。同时,依据船舶推进理论和船舶操纵性理论,设计了基于推进器、舵与舵机的电气控制系统,并针对MTI姿态传感器和ZigBee技术详细阐述了信息流以及控制流程。
　　 其次,依据流体力学理论和实际自航模型的外形分析了船体的各种水动力;建立了执行机构的数学模型;对干扰船体运动的浪流进行分析,基于MMG模型建立了自航模在浪流干扰下的四自由度运动模型。
　　 最后,采用模糊自适应PID控制算法设计了航向控制器和速度控制器,采用模糊推理对PID的参数进行在线调整,以实现控制系统的最优控制。在VC6.0的环境下建立了模糊PID控制器的运动控制仿真环境,并基于串口通信模拟控制指令下达和信息反馈,对自航模进行了操纵性仿真实验。
　　 仿真结果表明,本文设计的模糊自适应PID控制器具有较好的控制效果,回转仿真试验、Z形操纵仿真试验、正弦操舵仿真试验和紧急停船仿真试验均满足设计要求,为下一阶段的实物操纵性试验做了准备,并提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 课题研究的现状

1.3.1 船舶操纵性预报的研究现状

1.3.2 船舶运动控制的国内外研究现状

1.3.3 智能控制的主要方法与研究热点

1.3.4 自航模操纵试验研究简介

1.4 课题研究的主要内容

第2章 自航模系统设计

2.1 自航模模型设计

2.1.1 型线设计

2.1.2 总布置设计

2.2 推进系统设计

2.2.1 电机驱动器

2.2.2 电机

2.2.3 推进器

2.3 舵机系统设计

2.3.1 舵机的结构和工作原理

2.3.2 舵机的控制原理

2.3.3 舵的结构

2.4 控制系统设计

2.4.1 AVR单片机简介

2.4.2 下位机控制系统

2.5 姿态采集系统设计

2.5.1 姿态传感器简介

2.5.2 姿态传感器数据采集过程

2.6 无线数据传输系统设计

2.6.1 无线电

2.6.2 通讯协议

2.7 自航模硬件体系结构

2.8 自航模软件体系结构

2.8.1 下位机工作流程

2.8.2 上位机工作流程

2.9 本章小结

第3章 自航模运动控制器设计

3.1 PID控制原理

3.2 模糊控制理论

3.3 模糊自适应PID控制理论

3.4 模糊自适应PID控制算法在自航模运动控制中的应用

3.5 本章小结

第4章 自航模运动控制建模及仿真

4.1 自航模运动控制建模

4.1.1 基本假设

4.1.2 坐标系的建立及坐标间的转换

4.1.3 自航模MMG四自由度数学模型

4.1.4 裸船体上的流体动力及力矩计算模型

4.1.5 推进器推力及转矩计算模型

4.1.6 舵特性计算模型

4.1.7 风的干扰力计算模型

4.1.8 浪的干扰力计算模型

4.1.9 水动力系数估算

4.1.10 风浪干扰下的运动模型

4.2 自航模运动控制仿真

4.2.1 定向运动控制仿真

4.2.2 纵向速度运动控制仿真

4.3 本章小结

第5章 自航模操纵性仿真实验

5.1 回转试验

5.2 Z形操纵试验

5.3 正弦操舵试验

5.4 紧急停船试验

5.5 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

致射