船舶位置控制平台船舶层控制器的设计

摘要

由于近年来海上资源日趋丰富，海洋已成为各国开发利用的重点。众所周知，船舶在海面航行，由于受到风，浪，流的干扰，船舶会发生各个方向的摇摆运动，大量的摇摆会使海上作业不能稳定可靠的进行。如何使海面作业船在预定位置保持基本不动已成为今年来的研究热点。而亲临海上进行实船实验需要花费大量的物力、人力、财力，代价太高。因此，本实验室开发了船舶横荡、纵荡、艏摇三自由度船舶位置运动控制平台，用它来完成对船舶位置定位研究的初步实验。
　　 在硬件设计方面，本实验平台包括四层轨道，下面两层用来模拟海浪层，上面两层用来模拟船舶层。步进电机控制组是整个系统的执行机构。两台PC104工控机是整个系统的核心，利用8253定时器来产生两组脉冲，以此作为方向和使能信号分别控制海浪层和船舶层。另外，采用激光测距传感器通过RS232串行接口完成系统的闭环控制。
　　 在算法设计方面，本文主要介绍了Backstepping（反步法）和传统PID控制算法的基本原理以及它们在船舶控制平台上的应用。Backstepping控制算法采用递推设计思想，与李亚普诺夫稳定性原理相结合，在推导每一步中设计李氏函数，直至系统的控制输入出现。然后对Backstepping控制算法单独做了Matlab纯仿真研究，在此基础上做了半实物仿真。同时还应用PID算法做了半实物仿真。从实验结果来看，PID控制算法要比Backstepping控制算法稍好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究发展现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 船舶位置运动控制平台硬件介绍

2．1 船舶位置控制平台的硬件构成

2．2 步进电机控制系统

2．2．1 步进电机控制系统结构组成

2．2．2 步进电机驱动模块

2．3 PC104工控机

2．3．1 PC104输入输出模块

2．3．2 8253定时芯片

2．3．3 用8253实现任意时间的定时

2．3．4 中断服务程序

2．4 激光测距传感器

2．5 安全保护电路

2．5．1 GAL16V8芯片简介

2．5．2 保护电路的设计

2．6 本章小结

第3章 船舶平面运动三自由度数学模型的建立

3．1 坐标系统

3．2 运动学模型

3．2．1 运动变量的定义与表示

3．2．2 附体坐标系与惯性坐标系的坐标转换

3．3 动力学模型

3．4 三自由度平面运动模型

3．5 本章小结

第4章 基于反步(Backstepping)控制方法的控制器设计与仿真

4．1 李亚普诺夫第二法稳定性原理

4．2 基于Backstepping的控制器设计

4．3 仿真结果

4．4 本章小结

第5章 船舶位置控制平台的软件设计与调试

5．1 算法设计

5．1．1 PID控制算法

5．1．2 Backstepping控制算法

5．1．3 PID和Backstepping控制算法在船舶控制平台中的应用

5．2 软件设计

5．2．1 复位子程序

5．2．2 启动子程序

5．2．3 PI控制子程序

5．2．4 Backstepping控制子程序

5．2．5 绘制实时曲线子程序

5．3 实验结果

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢