船舶推力分配多步优化算法研究

发布时间：2017-07-28 23:20

  本文关键词：船舶推力分配多步优化算法研究

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【摘要】：进入海洋经济时代,各国对海洋资源的探索和开发逐渐扩展至深海区域,对海军舰艇编队协调、动力追踪救援等新功能的要求日渐明确,船舶推力系统的工作性能受到了更高要求的挑战。推力分配算法作为推力系统的核心,对于提高船舶海上作业控制精度、稳定性和灵活性至关重要。传统推力分配优化算法按每秒固定步数运行,每次优化相互独立且只考虑一步时间内推进器状态有限的变化范围,缺乏对推进器缓慢动态特征的考虑,忽略了对推进器状态长期的优化,往往会导致能耗效率低下,机动性下降。为此,本文在深入了解船舶推力分配发展现状的前提下,研究了推力分配的多步优化方法,并取得了如下研究成果:1)从推进器状态变化缓慢的特征和限制出发,本文将推力分配视为一个多步决策过程进行研究,提出了基于遗传算法和自适应动态规划的推力分配多步优化算法。首先通过遗传算法获取长期变化范围内推进器状态的全局最优解,然后采用自适应动态规划求解当前推进器状态变化至最优解的整个最优多步决策序列,最后用该最优决策序列逐步驱动推进器变化。2)针对更大可行域带来的多局部极值问题,本文分析了最优推进器状态分别对推力大小和推力角度的灵敏度,并根据结论用伪逆算法改进了传统变异算子,解决了传统遗传法收敛速度慢、种群多样性退化迅速的问题,并加以自适应变异粒度改善局部搜索能力。仿真结果表明改进的遗传算法效果良好,尤其是在数十秒的超大可行域下,所得全局最优解明显优于传统的序列二次优化算法。3)针对多步决策过程的最优化,本文首先建立了带输入饱和与终端约束的离散非线性最优控制模型,然后研究了该类约束模型的HJB方程的构造和基于自适应动态规划的求解方法,最后设计了自适应动态规划模型中神经网络的训练和求解步骤来实现终端约束条件。仿真结果表明,相比传统单步推力分配算法,多步优化算法显著提高了船舶推力系统长期的能耗效率和机动性。4)本文搭建了船舶实物仿真平台,包括模型船嵌入式系统和上位机可视化控制终端。通过在终端海图界面上的简单操作,模型船能在室外湖面进行路点跟踪和动力定位的仿真和演示,并且对风浪流有一定抵御能力,为船舶控制研究话题的进一步展开提供了便捷的实验接口和科研基础。
【关键词】：推力分配 多步决策过程 遗传算法 自适应动态规划
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.7;U664.3;TP18
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题背景及研究意义12-13
• 1.2 船舶推力系统发展状况13-15
• 1.3 推力分配算法研究现状15-18
• 1.3.1 二次型规划模型16-17
• 1.3.2 非线性规划模型17-18
• 1.4 本文的研究工作及章节安排18-20
• 第二章 推力分配建模20-32
• 2.1 船舶推力分配问题概述20-22
• 2.2 船舶推力结构建模22-23
• 2.3 螺旋桨水动力特征23-25
• 2.4 约束条件建模25-29
• 2.5 推力分配优化模型29-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 推力分配的优化算法32-46
• 3.1 伪逆算法32-35
• 3.1.1 Lagrange方法32-34
• 3.1.2 伪逆法的奇异结构分析和避免34-35
• 3.1.3 伪逆算法存在的问题35
• 3.2 序列二次规划法(SQP)35-41
• 3.2.1 SQP的思想和理论基础35-37
• 3.2.2 推力分配的二次型规划子问题构造37-38
• 3.2.3 仿真实例对比和分析38-41
• 3.3 多步优化算法41-45
• 3.3.1 单步优化算法的局限41-43
• 3.3.2 多步优化算法框架43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 推进器状态的全局最优化46-60
• 4.1 遗传算法的基本思想46-48
• 4.2 推力分配遗传算法设计48-54
• 4.2.1 现有遗传算法的问题和解决方案50
• 4.2.2 自适应变异粒度50-52
• 4.2.3 基于伪逆算法的推力二次变异52-54
• 4.3 仿真实例对比和分析54-59
• 4.3.1 新变异算子对遗传算法的改进54-57
• 4.3.2 推力分配模型的全局优化效果57-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 基于自适应动态规划的推力分配多步优化60-76
• 5.1 自适应动态规划综述61-62
• 5.2 推力分配的自适应动态规划设计62-67
• 5.2.1 HJB方程和迭代式的推导62-64
• 5.2.2 自适应动态规划的训练和求解64-67
• 5.3 仿真和性能分析67-75
• 5.3.1 基于自适应动态规划的多步决策67-71
• 5.3.2 推力分配多步优化算法整体仿真71-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第六章 船舶动力定位和推力分配实物仿真平台76-87
• 6.1 实物仿真平台综述76-79
• 6.1.1 平台整体设计76-77
• 6.1.2 现有模型船介绍77-79
• 6.2 船上嵌入式系统设计79-82
• 6.3 上位机可视化控制终端设计82-86
• 6.4 本章小结86-87
• 第七章 总结与展望87-90
• 7.1 全文总结87-88
• 7.2 全文展望88-90
• 参考文献90-95
• 致谢95-96
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文96-98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 王莹;谌栋梁;谢颖;张园;;基于构造矩阵零空间的动力定位系统推力分配方法[J];海洋工程;2013年04期

2 彭义;王钦若;熊建斌;;海洋工程动力定位实验室建设与实践[J];实验室研究与探索;2013年06期

3 张化光;张欣;罗艳红;杨s，

本文编号：586519