基于自抗扰控制算法的自动操舵仪的研究与实现

摘要

自动操舵仪是重要的船舶操纵设备，对于船舶航行的安全性和经济性具有至关重要的作用。由于船舶的动态模型具有大惯性、大时滞、非线性等特点，并且受模型参数摄动以及船舶运动中风、浪、流等外界干扰的影响，传统的控制方法很难取得好的控制效果。为了克服船舶操纵控制中的困难，本研究中引入了一种新的非线性控制方法，即自抗扰控制技术（ADRC）。该方法不依赖于船舶的精确数学模型，将船舶运动中的内部动态和外部干扰综合为系统所受的未知干扰，通过设计扩张状态观测器（ESO）对其进行总体的实时估计，并在反馈中合理引用非线性特性来提高系统的鲁棒能力。测试结果表明使用自抗扰控制技术的船舶自动操舵仪具有很好的操舵能力，也证明本研究中的自动操舵仪是一种稳定可靠、操舵性能好的产品。 本文首先介绍了船舶操纵原理、操舵系统及常见的操舵方式。根据船舶航向运动的特性建立了船舶运动的非线性响应数学模型，并分析了船舶在航行中受到的环境干扰。然后分析了传统PID控制方法的不足，并引进了自抗扰控制方法。基于自抗扰控制器的基本原理和标准结构，设计出船舶航向自抗扰控制器，并给出了离散化算法。 针对现有船舶导航仪表的不足，开发了一系列数字式导航仪表。文中对这些数字化仪表的实现功能、设计原理做了简要的叙述。根据自动操舵仪实现的各种功能，给出了自动操舵仪的结构。对自动操舵仪在船舶环境所受的各类干扰做了分析，最后设计出自动舵的硬件平台，并对系统中采取的抗干扰措施做了说明。 为了缩短系统软件的设计周期，提高软件系统的稳定性与可靠性，在自动操舵仪中嵌入了实时嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ．文中详细说明了该操作系统的内核结构、移植过程和任务划分，并给出了任务的流程图。最后说明了软件的可靠性的设计方法及设计中采取的软件抗干扰措施。 按照论文中所提到的方案与方法，成功的开发出了自动操舵仪样机，并进行了性能测试。论文中总结了一些自抗扰控制器参数调整的经验，并分析了自动舵性能测试的结果，分析表明基于自抗扰控制算法的自动舵具有良好的控制性能和抗扰动能力，并对参数摄动具有很好的鲁棒性。最后，对全文做了总结，对下一步工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1船舶自动操舵仪研究的重要性和意义

1.2船舶航向控制技术的发展

1.3自抗扰控制器的发展

1.4本文研究的主要内容

第二章船舶航向的自抗扰控制

2.1船舶操纵原理

2.1.1船舶的操纵系统

2.1.2操舵方式

2.2船舶运动数学模型

2.2.1 Nomoto线性响应模型

2.2.2 Norrbin和Bech非线性响应模型

2.2.3船舶运动的干扰信号

2.3自抗扰控制器

2.3.1经典PID的原理与缺陷

2.3.2自抗扰控制器的基本原理

2.3.3船舶航向自抗扰控制器设计

2.3.4自抗扰控制器的离散化

2.3.5自抗扰控制器的参数整定方法

2.4本章小结

第三章自动操舵仪的硬件平台

3.1外围设备介绍

3.1.1罗经及分罗经

3.1.2数字式舵角发送器

3.1.3舵角指示器

3.2自动操舵仪的设计方案

3.3干扰分析

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自动操舵仪硬件平台设计

3.4.1单片机系统

3.4.2系统电源

3.4.3模拟量输入电路

3.4.4舵机控制驱动电路

3.4.5通信接口

3.5 PCB抗干扰设计

3.6本章小结

第四章自动操舵仪的软件系统

4.1 μC/OS-Ⅱ介绍

4.2 μC/OS-Ⅱ内核结构

4.2.1任务

4.2.4任务调度方法

4.2.5中断处理

4.2.6任务间的通信

4.2.7时间管理

4.2.8系统初始化

4.2.9多任务的启动

4.3 μC/OS-Ⅱ的移植

4.4任务划分和软件设计

4.4.1自抗扰控制算法任务

4.4.2串口通讯任务

4.4.3随动操舵任务

4.4.4监视任务

4.4.5其它任务

4.5软件的可靠性设计

4.6本章小结

第五章系统试验结果

5.1试验方案说明

5.2自动操舵仪的参数调整

5.3试验结果分析

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1总结

6.2创新点

6.3课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果