基于自抗扰控制技术的自动操舵仪的设计与实现

摘要

自动操舵仪是用来控制船舶航向的重要设备，能使船舶在预定的航向上运行，并能克服使船舶偏离预定航向的各种干扰及影响，使船舶自动地稳定在预定的航向上运行，其性能直接影响船舶航行的操纵性、经济性和安全性。传统的控制方法依赖于船舶的精确数学模型，并受模型参数摄动以及船舶在运动中的风、浪、流等外界因素的干扰，难以应付航行条件错综复杂的变化。为了提高自动操舵仪的控制性能，克服外界因素的干扰，本文采用了自抗扰控制器技术(Auto/Active Disturbances Rejection Controller)这一新的非线性控制方法，通过安排过渡过程、提取微分信号、应用非线性组合、扩张状态观测器(Extended State Observer)与扰动估计补偿等过程，组建自抗扰控制器。从计算机仿真试验结果来看，该技术是不依赖于被控对象精确模型的新型实用数字控制技术。测试结果表明使用自抗扰控制技术的船舶自动操舵仪不但能减少人工操作，提高航行安全性，而且还有明显的经济效益，性能稳定可靠。
　　 本文首先介绍了自动舵的发展历史及国内外的研究现状。依据船舶在航行状态下的特性建立了非线性响应数学模型，对影响船舶航行的环境因素进行了分析，设计出了航向自抗扰控制器。针对自动操舵仪实现的目标功能，讨论了自动操舵仪的设计结构。对自动操舵仪可能受到的各类干扰因素进行了详细的分析，进而实现其硬件平台的设计，并简要说明了所采取的抗干扰措施。
　　 依据论文提出的设计方案，成功的设计出了自动操舵仪的样机，并进行了性能测试。对自动操舵仪性能测试的分析结果表明，基于自抗扰控制算法的自动舵具有精度高、反应速度快、抗干扰能力强等优点。最后，总结全文，并对下一步工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究自动操舵仪的重要意义

1．2 自动舵的技术发展

1．3 国内外自动舵的研究现状

1．4 自抗扰控制器技术的发展

1．5 论文结构

第2章 航向自抗扰控制器

2．1 船舶运动数学模型

2．1．1 Nomoto数学模型

2．1．2 非线性响应数学模型

2．1．3 扰动信号

2．2 航向自抗扰控制器的设计

2．2．1 经典PID控制的优缺点

2．2．2 自抗扰控制器的组成

2．2．3 航向自抗扰控制器的设计

2．2．4 控制器组件的离散化算法

2．3 小结

第3章 自动舵的硬件环境分析

3．1 自动舵的硬件平台

3．2 自动舵的设计方案

3．3 扰动因素分析

3．3．1 电源干扰

3．3．2 通讯线路干扰

3．3．3 辐射干扰

3．4 自动舵硬件平台设计

3．4．1 单片机系统

3．4．2 主操纵台控制板

3．4．3 系统电源

3．4．4 模拟量输入设计

3．4．5 通信接口设计

3．4．6 显示输出设计

3．5 印制电路板抗干扰设计

3．6 本章小结

第4章 自动舵的软件设计

4．1 概要设计

4．2 任务划分及设计

4．2．1 自动操舵任务

4．2．2 通讯任务

4．2．3 随动操舵任务

4．3 本章小结

第5章 自动舵的试验结果

5．1 试验方案说明

5．2 仿真模型描述

5．2．1 转艏运动模型

5．2．2 船位推算模型

5．2．3 海浪干扰模型

5．2．4 舵机模型

5．3 试验结果分析

5．3．1 无自然环境因素影响下的测试

5．3．2 自然环境因素影响下的测试

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录A 自动舵外观图

附录B 软件详细设计

致谢