船舶自动靠泊简捷非线性鲁棒控制

摘要

为了解决欠驱动船舶港内操纵时受限水域、不确定数学模型、相对较强环境扰动下自动靠泊控制器设计的关键性问题，本文以“船舶自动靠泊简捷非线性鲁棒控制”为选题，充分考虑航海实践的要求，进行系统性的理论探索研究。期望为船舶靠泊辅助支持系统或智能船舶全航线自动控制提供理论指导和技术支撑，从而进一步提高靠泊效率，降低安全风险。
　　本文分别针对船舶自动靠泊控制任务中的港内操纵运动数学模型、控制理论算法、控制工程应用3个关键点进行深入探究，采用“简捷”+“鲁棒”+“自适应”的技术路线，即控制律要简捷、有效，易于工程实现，控制器能够在外界环境扰动和模型参数摄动有界条件下具有鲁棒性，在扰动和模型参数不确定下具有适应性。目标是通过解决船舶港内靠泊操纵控制中所涉及的几个难题，实现考虑船舶控制工程实践需求（执行器输入饱和、算法实时性等）的自动靠泊控制。
　　本文首先针对船舶港内操纵时操控性和连贯性能变差，存在低速、大漂角运动，且风、流等干扰相对增大的特点，充分考虑浅水、低速、风、流等港内环境，以及船体、舵、桨等各部分的相互干扰和倒车特性，以应用广泛的右旋单桨船为研究对象，进行模型优化和参数修正，并利用三次样条插值算法对在常速域（漂角小于20°）与低速域（漂角大于30°）之间的过渡速域的流体力进行了计算，给出了一种适用于船舶港内操纵的、考虑右旋单桨倒车特性的船舶运动数学模型。最后通过对某液化气(LPG)船的仿真试验（旋回试验、Z型试验、停船试验、浅水试验、低速试验），验证所建模型的有效性。
　　在控制算法方面，针对欠驱动船舶自动靠泊控制中模型动态不确定和有界扰动未知等问题，采用附加控制方法进行坐标转换，解决了欠驱动问题，并利用航海动态深度信息的神经网络自适应方法重构不确定的模型动态与未知扰动;针对港内螺旋桨非定常转速下航向保持控制问题，通过非线性环节来构造状态反馈或输出反馈的反馈（或修饰）方式，提出了基于非线性函数驱动的简捷非线性反馈和非线性修饰算法，并利用李雅普诺夫直接法及闭环系统响应分析法进行稳定性分析。
　　在工程应用方面，为了加强船舶港内操纵与控制的安全性（从减小舵幅和舵机的负荷角度考虑），利用易于工程实践的闭环增益成形算法设计PID控制参数，选取双极性S函数驱动的非线性反馈技术设计控制器;为解决多参数自动靠泊神经网络控制器的计算负荷问题，提出一种考虑靠泊实践要求的简捷神经网络控制器设计的优化方法，该方法通过优化网络输入参数和有效信息提取频率，减少了计算维数;为解决自动靠泊自适应神经网络算法的计算负荷大的问题，在考虑到舵、桨执行器的输入饱和的基础上，利用动态面(DSC)技术与最小学习参数(MLP)的方法降低计算负载度，易于工程实现。
　　本文所有实验采用Matlab/Simulink编程实现，验证了控制器设计方法的有效性。该研究对于推进高技术船舶制造业的发展具有重要的现实意义，为建设低碳、节能、环保和安全的海上交通运输奠定了重要的理论基础。

目录

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摘要

图表目录

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2船舶靠泊现状

1．3船舶自动靠泊控制研究现状

1．3．1船舶自动靠泊控制的国外研究现状

1．3．2船舶自动靠泊控制的国内研究现状

1．3．3船舶自动靠泊控制的发展趋势

1．4本领域存在的问题

1．5本文的主要工作及安排

1．5．1拟开展的主要工作

1．5．2主要内容安排

第2章船舶港内操纵运动数学模型

2．1引言

2．2船舶运动数学模型

2．2．1船舶运动坐标系

2．2．2裸船体流体动力

2．2．3螺旋桨及相互干涉流体动力

2．2．4舵及相互干涉流体动力

2．2．5舵机特性模型

2．3船舶港内操纵数学模型修正

2．3．1低速域修正

2．3．2浅水域修正

2．3．3风、流的干扰力数学模型

2．4仿真验证

2．4．1旋回试验

2．4．2 Z型试验

2．4．3紧急停船试验

2．4．4浅水试验

2．4．5低速试验

2．5本章小结

第3章船舶港内操纵非线性航向保持控制

3．1引言

3．2基于简捷非线性技术的航向保持控制

3．2．1非线性反馈backstepping控制器设计

3．2．2非线性修饰backstepping线性弱化控制器设计

3．2．3仿真研究

3．3基于非线性控制技术的港内操纵船舶航向保持控制

3．3．1问题的描述

3．3．2双极性S函数驱动的非线性反馈控制器设计

3．3．3仿真研究

3．4本章小结

第4章船舶自动靠泊简捷非线性神经网络控制

4．1问题的描述

4．2控制器设计

4．3仿真研究

4．3．1参数训练

4．3．2仿真结果

4．4本章小结

第5章欠驱动船舶自适应神经网络自动靠泊控制

5．1问题的描述

5．2坐标转换

5．3控制器设计

5．4仿真研究

5．4．1模型参数未知下仿真试验

5．4．2时变扰动下仿真试验

5．5本章小结

第6章总结与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介