船舶航向自抗扰控制的研究

发布时间：2017-04-03 17:16

  本文关键词：船舶航向自抗扰控制的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于线性自抗扰控制器(LADRC;能够实时估计并及时补偿系统内部和外部误差的总和,具有不基于特别精确的系统模型、抗干扰能力强等特点,所以本文采用了LADRC对船舶航向进行控制。 本文首先讨论自动舵控制船舶航向的基本原理,综述了船舶航向控制方法的历史演变和自抗扰技术研究和发展的现状,然后以9572TEU的XIN SHANGHAI号和5446TEU的SHANG HAI号集装箱船的实船数据为基础建立MMG船舶模型,并设计了外界航行环境干扰(主要是风、流)的模型。再分别对两艘船舶模型进行旋回仿真和Z形操纵试验仿真,验证船舶模型的合理性和准确性,为本文后续的仿真计算做好充分准备。 其次,讨论了自抗扰控制器的原理及组成结构,着重突出了其抗外界干扰能力强的优点。由于普通自抗扰控制器本身存在一些局限,本文引入了线性自抗扰控制器,来克服普通自抗扰控制器调节参数过程繁琐耗时的缺点,并对其基本结构、基本算法以及控制器各组成部分的特点进行说明。 最后,设计了一种优化的变参数PID航向控制器和线性自抗扰航向控制器,在不同的航行环境下进行仿真,对船舶航向进行控制,然后对比控制效果和控制精度,得到结论：线性自抗扰控制器对命令的响应速度相对较快,仿真曲线平滑无超调且控制效果好、控制精度比较高,对受控对象的未建模动态和不确定干扰因素有良好适应性、鲁棒性。最后在控制器参数不变的情况下,将船舶模型换成SHANG HAI号集装箱船,并在不同海况下进行仿真,验证LADRC的鲁棒性和适应性。 本文主要完成的工作有：根据XIN SHANG HAI号集装箱船的实船数据建立船舶运动数学模型,并根据船舶航向控制原理设计了线性自抗扰航向控制器,对线性自抗扰航向控制器在选择不同参数的情况下的仿真特性进行详尽地分析,通过仿真结果验证本文采用线性自抗扰控制技术的航向控制器的有效性和鲁棒性。
【关键词】：船舶航向控制 船舶运动模型 线性自抗扰控制 仿真
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U675;U664.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 引言9-11
• 1.2 课题的研究现状11-15
• 1.2.1 航向控制系统简介11
• 1.2.2 船舶航向控制器综述11-13
• 1.2.3 自抗扰控制的研究及发展13-15
• 1.3 课题研究内容15-17
• 第2章 船舶运动数学模型17-40
• 2.1 引言17
• 2.2 船舶运动数学模型的的研究意义17-18
• 2.3 船舶运动MMG数学模型18-21
• 2.3.1 船舶操纵运动的坐标系18-19
• 2.3.2 船舶平面运动数学模型的建立19-21
• 2.4 作用于船体的流体动力和力矩21-25
• 2.4.1 惯性流体动力和力矩的计算21-22
• 2.4.2 粘性流体动力和力矩的计算22-25
• 2.5 作用于螺旋桨的流体动力和力矩25-27
• 2.6 作用于舵的流体动力和力矩27-31
• 2.7 作用于船体的干扰力和力矩31-33
• 2.7.1 风的干扰力的数学模型31-32
• 2.7.2 流的干扰力的数学模型32-33
• 2.8 船舶操纵性能试验计算33-39
• 2.8.1 旋回试验计算36-37
• 2.8.2 Z形操纵试验计算37-39
• 2.9 本章小结39-40
• 第3章 自抗扰控制的研究40-49
• 3.1 引言40-41
• 3.2 自抗扰控制的基本算法41-45
• 3.2.1 跟踪-微分器(TD)42-43
• 3.2.2 扩张状态观测器(ESO)43-44
• 3.2.3 非线性误差状态反馈(NLESS)44-45
• 3.3 线性自抗扰控制器的设计45-48
• 3.3.1 二阶线性扩张状态观测器(LESO)46-47
• 3.3.2 线性误差状态反馈(LESS)47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 船舶航向自动控制及其仿真研究49-61
• 4.1 引言49
• 4.2 一种变参数PID控制器49-50
• 4.3 变参数PID的结构50-51
• 4.4 基于线性自抗扰的控制器51-52
• 4.5 XIN SHANG HAI号集装箱船仿真结果及分析52-59
• 4.5.1 理想环境航向控制仿真55-57
• 4.5.2 在外界航行环境干扰较小的条件下的仿真57-58
• 4.5.3 在较大外界航行环境干扰条件下的仿真58-59
• 4.6 SHANG HAI号集装箱船仿真结果及分析59-60
• 4.7 本章小结60-61
• 第5章 结论与展望61-63
• 5.1 结论61-62
• 5.2 展望与不足62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 作者简介68

【参考文献】

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本文编号：284691