船舶航向模糊控制系统研究

摘要

本论文来源于预研项目—航向控制系统故障智能检测仪，作者参与此项研究工作。 本文的目的在于提出一种新的航向控制系统，其目标在于改善经典PID控制系统的控制效果。大量实践和理论已经证明模糊控制特别适合于难以建立数学模型、存在非线性和时变性的对象。本文运用模拟退火算法对模糊控制系统的控制参数进行了优化处理，使控制器能更好的适应模型参数摄动和复杂多变环境干扰。最后对所设计的控制系统进行了仿真，获得了理想的控制效果。 本文主要进行了以下几项工作： 一．根据模糊控制不需要建立精确控制对象模型的特点，确定选取一阶K—T方程(即Nomoto模型)，并根据实船参数计算了K、T参数。 二．设计了航向模糊控制器。首先根据所控船舶的运动特点，选取了性能指标，确定隶属函数，结合实际操舵人员的实际经验，制定了控制规则，并结合仿真深入讨论了控制器参数对系统性能的影响。 三．设计了模拟退火算法优化程序，实现了对控制器的量化因子和比例因子的最优化。 四．建立了航向控制系统的仿真模型并进行了仿真，仿真内容有：海浪干扰的数值仿真，所控制船舶的随动系统仿真，船舶使用的PID航向控制系统仿真，以及设计的模糊航向控制系统仿真等。对航向控制系统的仿真选取了不同海况和不同遭遇角，并根据仿真数据列出了随机统计结果，对比分析了两种控制系统的优劣和改进方向。 仿真结果表明，模糊航向控制器控制参数经过优化调整，有较好的控制效果，其控制性能超越了经典的PID控制系统。可以为项目采用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

1 2自动操舵装置的发展和现状

1.2.1自动操舵装置的发展历程

1.2.2自动操舵装置的国内外现状

1.3模糊控制与模拟退火算法的发展及现状

1.3.1模糊控制理论的产生和研究概况

1.3.2模拟退火算法概述

1.4论文主要工作

第2章船舶运动数学模型

2.1船舶操纵运动的数学模型计算

2.1.1两种坐标系

2.1.2两维船舶运动方程式

2.1.3水动力系数无因次化及计算

2.1.4 Nomoto模型

2.2干扰的数学模型

2.2.1风的影响模型

2.2.2浪的影响模型

2.2.3流的影响模型

2.3本章小结

第3章船舶航向模糊控制器的设计

3.1模糊控制基础

3.1.1模糊控制概述

3.1.2模糊集合和模糊关系

3.1.3模糊推理

3.1.4选择隶属函数的原则

3.1.5模糊控制器的常规设计方法

3.2航向模糊控制器的设计

3.2.1被控对象的特点及控制任务

3.2.2航向模糊控制器的设计

3.3船舶航向模糊控制器参数整定分析

3.4本章小结

第4章航向模糊控制器参数SA算法寻优

4.1模拟退火算法基础

4.1.1模拟退火算法概述

4.1.2模拟退火算法的基本原理

4.1.3模拟退火算法的冷却进度表

4.1.4模拟退火算法的应用

4.1.5模拟退火算法的改进和变异

4.2航向模糊控制器参数模拟退火算法寻优

4.2.1控制器参数模拟退火算法寻优总体结构

4.2.2船舶航向模糊控制器参数模拟退火算法寻优设计

4.3本章小结

第5章航向控制系统仿真

5.1船舶的运动特点及控制要求

5.2航向控制系统模型建模

5.3 matlab仿真分析

5.3.1海浪干扰的数值仿真

5.3.2航向控制系统仿真

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科的科研成果

致谢