航天测量船路径跟踪的预测控制与仿真

发布时间：2017-04-13 06:10

  本文关键词：航天测量船路径跟踪的预测控制与仿真，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：航天测量船是活动的海上测控站，在浩瀚的大洋上对航天器进行跟踪、测量和控制。测量船海上测控，就任务本身来讲与陆上测控站的工作基本相同，但海上测控有其特殊性，它是在位置变动、海水流动、船体震动、天线晃动的条件下捕获跟踪目标的。在大海中航行的航天测量船，由于受到风浪流的影响会产生6个自由度的摇荡、摇摆和振荡运动。安装在航天测量船上的无线电测控通信设备的基座也会随之摇摆，特别是航向的变化会使天线波束偏离目标，轻则影响跟踪精度，重则造成跟踪丢失。为了避免测控通信设备天线遮挡，测量船需要保持一定的航向，跟踪设计的航线航行，即测量船要在保持航向的控制要求下，跟踪并最终能稳定于预设的参考路径上。测量船路径跟踪系统带有非线性、强约束性、容易受到被控对象参数的变化以及风浪流等外界的干扰影响的特点，是一种比较典型的非线性控制系统，对该类控制系统进行研究有助于探索一般的非线性系统相关的控制问题，不但具有非常重要的学术方面的研究价值，而且为做好海上测控中的航海保障工作和新一代航天测量船的设计提供理论支持。本文针对航天测量船的特性，探讨了预测控制策略在测量船路径的跟踪控制方面的应用，也进行了控制器的设计与半实物仿真实验。 首先，建立了船舶路径跟踪控制系统的数学模型。建模是进行控制器设计的基础工作，在总结前人研究成果的基础上，掌握了船舶运动方程和操纵特性，建立了两种测控任务模式下的船舶路径跟踪控制系统的数学模型，并基于dSPACE半实物实时仿真平台的软硬件进行了介绍，为后续的设计控制器和进行仿真实验打下了基础。 针对船舶路径跟踪的非线性模型，研究了非线性模型线性化方法。针对测量船单弧段测控任务模式下的航行设计了基于状态空间模型的预测控制器，，并在SIMULINK平台上设计了数值仿真，实验结果验证了预测控制策略在测量船单弧段测控模式下路径跟踪控制中的可行性。随后通过dSPACE半实物仿真平台对外界干扰下的路径跟踪控制进行了实时仿真。 针对航天测量船短弧段多圈次测控任务模式下的保航向航行，研究了两种多模型预测控制器设计方法。一是对基于横移位移切换的多模型控制策略进行探讨，通过对参考轨迹的改善保证了在保航向要求下的迅速稳定跟踪。再就是对基于横移位移切换的改进多模型预测控制方法进行了探讨，通过对参考轨迹及切换准则的改进，保证测量船在横移位移发生大范围变化时，仍然能够在保航向的要求下更加快速的实现平稳跟踪，并且改善了系统的动态响应。仿真结果表明所设计的多模型预测控制器能够实现短弧段多圈次测控任务模式下的保航向航行路径跟踪控制。
【关键词】：航天测量船 路径跟踪 预测控制 多模型切换 dSPACE仿真
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U675.7;U674.82
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 背景和意义9-12
• 1.1.1 研究背景9-10
• 1.1.2 研究意义10-12
• 1.2 航天测量船的研究现状12-13
• 1.3 船舶路径跟踪控制方法综述13-15
• 1.4 主要研究内容与论文结构15-17
• 第二章 船舶路径跟踪控制系统数学模型及其分析17-31
• 2.1 引言17
• 2.2 船舶运动数学模型17-22
• 2.2.1 基本坐标系17-19
• 2.2.2 船舶操纵运动方程的建立19-21
• 2.2.3 舵机特性计算模型21-22
• 2.3 船舶路径跟踪系统非线性数学模型22-27
• 2.3.1 船舶路径跟踪系统状态方程22
• 2.3.2 单弧段测控任务下的船舶路径跟踪控制系统模型22-25
• 2.3.3 短弧段多圈次测控任务下的路径跟踪控制系统模型25-27
• 2.4 dSPACE 半实物仿真27-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 单弧段测控任务下的船舶路径跟踪预测控制31-55
• 3.1 引言31
• 3.2 船舶路径跟踪系统线性化模型31-36
• 3.2.1 线性化方法32-33
• 3.2.2 船舶路径跟踪模型的线性化33-36
• 3.3 单弧段任务下的船舶直线路径跟踪预测控制器设计36-43
• 3.3.1 预测控制37-38
• 3.3.2 基于状态空间模型的预测控制器设计38-43
• 3.4 单弧段测控任务下的船舶直线路径跟踪的预测控制仿真43-48
• 3.5 外界干扰下的船舶直线路径跟踪的预测控制 dSPACE 仿真48-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第四章 短弧段多圈次任务下的船舶路径跟踪多模型预测控制55-72
• 4.1 引言55-56
• 4.2 多模型预测控制56-57
• 4.3 基于横移位移的多模型切换预测控制57-63
• 4.3.1 切换参考轨迹及多模型控制器切换准则58-59
• 4.3.2 基于横移位移切换的多模型预测控制仿真59-63
• 4.4 基于横移位移切换的改进多模型预测控制63-68
• 4.4.1 改进的多模型参考轨迹及控制器切换准则63-65
• 4.4.2 基于横移位移切换的改进多模型预测控制仿真65-68
• 4.5 含有航向跟踪的改进多模型预测控制仿真68-71
• 4.6 本章小结71-72
• 第五章 全文总结与展望72-75
• 5.1 本文的主要工作和贡献72-73
• 5.2 未来展望73-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-80
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文80-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 彭秀艳,李小军,沈艳,赵希人;大型船舶航迹多变量随机最优控制[J];船舶工程;2003年03期

2 胡耀华,贾欣乐;船舶运动的预测控制[J];大连海事大学学报;1998年01期

3 周岗;姚琼荟;陈永冰;周永余;李文魁;;船舶直线航迹控制系统全局渐近稳定的充分条件[J];海军工程大学学报;2006年03期

4 于洋;卡尔曼滤波器在船舶航迹跟踪中的应用[J];江苏船舶;2005年02期

5 李铁山,杨盐生,郑云峰;不完全驱动船舶非线性控制[J];交通运输工程学报;2003年04期

6 胡耀华,贾欣乐;具有约束条件的船舶运动预测控制[J];控制理论与应用;2000年04期

7 周岗;姚琼荟;陈永冰;周永余;;基于输入输出线性化的船舶全局直线航迹控制[J];控制理论与应用;2007年01期

8 张戎军，许汉珍;船舶操纵非线性系统的鲁棒变结构控制[J];控制与决策;1994年05期

9 周岗;姚琼荟;陈永冰;周永余;李文魁;;不完全驱动船舶直线航迹控制稳定性研究[J];自动化学报;2007年04期

10 周岗;陈永冰;姚琼荟;周永余;李文魁;;一类船舶直线航迹控制系统全局渐近稳定的充分条件及推论[J];自动化学报;2007年11期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 叶光;基于VV&A的船舶运动控制系统仿真的研究[D];大连海事大学;2007年

2 王晓飞;基于解析模型预测控制的欠驱动船舶路径跟踪控制研究[D];上海交通大学;2009年

3 李德伟;预测控制在线优化策略的研究[D];上海交通大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 华晨;高超声速飞行器纵向通道的预测控制器设计及可视化仿真[D];上海交通大学;2011年

2 严玲玲;基于高超飞行器柔性模型的预测控制与动态仿真[D];上海交通大学;2012年

3 王松辉;基于dSPACE的无人机飞行控制系统半实物仿真研究[D];南京航空航天大学;2008年

  本文关键词：航天测量船路径跟踪的预测控制与仿真，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：302969