自动操舵仪航向控制器设计与系统仿真

发布时间：2020-06-04 08:02

【摘要】：经济发展与海洋资源开发共同促进了航运业的快速繁荣,随之而来的是航行密度增大,事故增多。此外,人们对于大吨位、高航速船舶的需求日益增多,同时如何安全、快速、高效地完成航海任务,不仅是缩短航程,减少燃油消耗,还要求能以更少的船员和人力完成更多的航海操纵任务。所有的这些要求最终归结为:人们需要一个高效、精确、自动化程度高的船舶运动控制系统。自动操舵仪是船舶操纵控制的主要设备,航向控制又是其最基本最重要的功能。因此,本文以船舶航向控制作为研究重点。本文首先对船舶航向控制的原理和模式作了一些说明。针对船舶航行过程中面对复杂扰动,同时又由于自身航行状态导致模型不确定性的问题进行了分析研究。最终决定,采用具有非线性特性的Norrbin响应型船舶运动模型作为控制对象。同时为了仿真需求,对建立的风浪流扰动模型进行等效模拟。控制算法方面,首先以经典PID方法设计航向控制器,发现其对非线性Norrbin模型的控制效果较差。为此,使用MATLAB提供的非线性控制系统优化工具对其控制器参数进行了优化,优化后的控制器取得了较为满意的控制效果。然后对PID控制存在的不足之处进行分析,对应给出自抗扰控制技术(Active disturbance rejection controller,ADRC)的跟踪微分器(Tracking System,TD)环节、扩张状态观测器(Extended state observer,ESO)环节和非线性状态误差反馈(Nonlinear state error feedback,NLSEF)等环节。并对部分环节的原理进行了仿真验证。本文主要部分为ADRC航向控制系统设计,应用ADRC技术设计航向控制器,控制算法以s函数编写,封装为SIMULINK模块以供控制系统调用,控制系统模型也用SIMULINK仿真工具搭建。对ADRC中ESO和NLSEF环节的非线性反馈增益系数进行遗传算法整定,大大简化了人工整定的难度。控制器设计完成后,对设计的优化PID控制器和ADRC控制器进行了仿真研究。结果表明,基于ADRC的船舶航向控制系统在扰动抑制方面具有较大优势,同时ADRC船舶航向控制器舵角响应幅值较小,操舵平缓,航向无超调,控制性能较为优越。对两种控制器参数摄动时的控制效果进行仿真,结果也表明ADRC控制具备更好的鲁棒性
【图文】：

图 1.1 DC-Ⅲ系列数字自动操舵仪（2）NautoPilot5000 系列自动操舵仪是 Ansuchz 公司最新开发出来的产品，主要针对 100m 及以上的船舶设计。NP5000 提供了航向控制、航线控制和航迹控制。其中，区别于传统的航向控制，Ansuchz 提出了航线控制，指的是在设定航向的情况下，由于二阶波浪力以及海风、海流的存在，船舶会固有的发生横向偏荡。而航线控制通过提供一个与偏荡方向相反的适当舵角，控制船舶的实际航行线路在一条直线上，，从而缩短航行路程，降低燃油损耗。同时，这种操舵方式对需要精确控制的特种作业船具有很大价值。航向控制与航线控制的对比示意见图 1.2。

图 1.1 DC-Ⅲ系列数字自动操舵仪toPilot5000 系列自动操舵仪是 Ansuchz 公司最新开发出上的船舶设计。NP5000 提供了航向控制、航线控制和航向控制，Ansuchz 提出了航线控制，指的是在设定航向海风、海流的存在，船舶会固有的发生横向偏荡。而航相反的适当舵角，控制船舶的实际航行线路在一条直线油损耗。同时，这种操舵方式对需要精确控制的特种作航线控制的对比示意见图 1.2。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U666.153

【参考文献】

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本文编号：2696098