具有设定航向平滑的非线性鲁棒船舶自动舵算法

摘要

船舶航向控制实际上应区分为两类控制问题：在航向设定值不变时进行航向保持和在设定航向变化时进行航向跟踪。实际上对这两种控制应该采取不同的控制策略，但为简化起见，通常只用一种控制律，不过这样对大角度航向保持的效果不理想。为了改善这种状况，本文采用一种动态的航向设定方法对设定航向进行平滑，其基本思想是开始时让动态设定航向始终领先实际航向一个固定值，直到趋于设定航向。该方法可以减少动态航向误差，并对控制过程起到平滑作用，减少超调。 本文的控制系统针对响应型非线性船舶运动数学模型，基于精确反馈线性化和闭环增益成形算法设计出非线性鲁棒控制器。对于该系统，本设计首先采用常规算法进行航向的动态设定，为改善系统性能，进一步采用模糊推理的变设定航向方法进行研究。 本文采用MATLAB的Simulink工具箱对系统进行仿真，为提高仿真的可信度，增加风浪干扰的非线性模型，并通过编写S函数来实现。本研究针对不同海况分别对设定航向未加平滑、采用常规算法进行动态航向设定及采用模糊算法进行变航向设定三种情况进行对比仿真研究。通过观察输出曲线，首先可以看到设定航向加入平滑后航向保持效果很理想，并且在大角度转向时能够快速跟踪设定航向。再通过对常规算法和模糊算法设定动态航向仿真结果的对比，发现采用模糊推理得到的变设定航向方法系统性能更好。

目录

文摘

英文文摘

大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明

第1章 绪 论

1.1研究课题的背景

1.1.1船舶航向控制的发展

1.1.2航向控制的国内外研究现状

1.2非线性控制理论概述

1.3研究课题的提出及选题目的

1.4论文的结构

第2章 基础理论

2.1 H∞鲁棒控制理论

2.1.1 H∞鲁棒控制理论的概念和实质

2.1.2 H∞控制的混合灵敏度问题

2.2闭环增益成形控制算法

2.3状态反馈精确线性化设计的原理

2.3.1 Lie导数与Lie括号

2.3.2非线性系统的线性化标准型

2.3.3状态反馈精确线性化的设计原理

2.4模糊控制理论

2.4.1模糊集合

2.4.2模糊关系

2.4.3模糊规则库

2.4.4模糊推理机

2.4.5模糊控制的基本原理

第3章 船舶运动数学模型

3.1船舶平面运动的运动学

3.2流体动力导数

3.3状态空间型船舶平面运动数学模型

3.3.1二自由度状态空间型船舶线性数学模型

3.3.2三个自由度的非线性船舶运动方程式

3.3.3四个自由度的非线性船舶运动方程式

3.3.4考虑随机干扰时的线性船舶数学模型

3.4传递函数型的船舶运动数学模型

3.4.1 3阶传递函数模型

3.4.2 2阶传递函数模型(Nomoto模型)

3.5船舶平面运动的非线性数学模型

3.5.1用于船舶运动闭环控制系统仿真的六自由度非线性船舶模型

3.5.2简化的Norrbin非线性船舶运动数学模型

3.5.3响应型非线性数学模型

第4章 总体设计与实现

4.1总体设计

4.2具有设定航向平滑的非线性鲁棒控制器的设计

4.2.1基于状态反馈精确线性化法控制器的设计

4.2.2设定航向ψd的平滑——设置动态的设定航向

4.2.3用常规算法实现动态的设定航向的仿真研究

4.2.4用常规算法实现动态的设定航向的仿真分析

4.2.5应用模糊推理的变设定航向方法

4.2.6模糊设定航向的仿真研究

4.2.7模糊设定航向的仿真分析

结 论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致 谢

研究生履历