船舶航向非线性系统自抗扰控制器的仿真研究

摘要

船舶航向控制器的设计一直是船舶运动控制重要的研究课题之一，它与船舶航行的经济性、安全性和舒适性密切相关。由于船舶的动态具有大惯性、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，使得控制器的设计成为一个复杂的问题。 自抗扰控制(ADRC)技术是由韩京清研究员及其团队十几年来创立的一种新的非线性控制方法。该方法不依赖于对象模型，将被控对象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。目前ADRC已在电机控制、机器人控制、飞行器控制等领域的一些实际问题中得到了成功应用。本文将ADRC用于船舶航向控制，并进行了仿真研究。 本文首先分析了传统PID控制方法的不足，介绍了跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈(NLSEF)和自抗扰控制器的基本原理，给出了自抗扰控制器的标准结构。 研究了船舶操纵基本原理和航向运动特性，建立了带有舵机约束的响应型非线性船舶运动数学模型，分析了船舶受到的环境干扰，并建立了风、浪、流干扰的数学模型。 重点对船舶航向自抗扰控制方法进行了研究：将船舶航向运动系统看作舵机机构和船舶运动系统的串联，给出了系统组成结构图；讨论了两种船舶航向自抗扰控制器的设计方案，使用二阶ADRC设计了船舶航向运动自抗扰控制器；采用s函数实现了ADRC控制算法，搭建了船舶航向运动自抗扰控制仿真平台；总结了船舶航向自抗扰控制器的参数整定方法。 对船舶航向自抗扰控制系统进行了仿真研究。结果表明，与经过参数优化的PID控制相比，基于ADRC的船舶航向控制系统在大角度航向切换、航向保持、外界干扰、参数摄动、模型改变等条件下均具有良好的控制效果，具有很好的鲁棒性和抗干扰能力。 最后，针对仿真中自抗扰控制在小角度航向切换时响应速度慢的问题，对控制器进行了改进，对下一步工作进行了展望。 本文希望通过对自抗扰控制在航向运动控制中的研究，进一步拓展自抗扰控制技术的应用领域，也为船舶航向控制器控制策略的研究提供一种新的思路。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

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

第二章自抗扰控制器

2.1经典PID控制及其优缺点

2.2跟踪微分器

2.2.1跟踪微分器的一般理论

2.2.2二阶跟踪微分器的具体实现

2.3反馈线性化

2.4扩张状态观测器

2.4.1扩张状态观测器的基本原理

2.4.2二阶系统的扩张状态观测器

2.5非线性状态误差反馈

2.6本章小结

第三章船舶运动数学模型

3.1船舶操纵基本原理

3.1.1船舶操纵装置

3.1.2自动操舵

3.2船舶运动数学模型

3.2.1坐标系与运动学变量

3.2.2线性船舶操纵运动数学模型

3.2.3响应型船舶运动数学模型

3.2.4舵机模型

3.3船舶运动干扰的数学模型

3.4本章小结

第四章船舶航向自抗扰控制器仿真研究

4.1船舶航向运动控制系统

4.2传统PID航向控制器的设计及参数优化

4.2.1传统PID航向控制器的设计

4.2.2基于NCD的PID航向控制器的优化

4.3船舶航向自抗扰控制器设计

4.3.1自抗扰控制器的算法实现

4.3.2船舶航向自抗扰控制器的参数整定方法

4.4仿真与分析

4.4.1标称模型时的控制仿真

4.4.2外界干扰作用下的控制仿真

4.4.3参数摄动时的控制仿真

4.4.4不同模型的控制仿真

4.5船舶航向自抗扰控制器的改进

4.6本章小结

第五章结论与展望

5.1总结

5.2本文主要创新点

5.3课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文