基于网络控制的船舶航向保持控制研究

发布时间：2017-09-24 11:43

  本文关键词：基于网络控制的船舶航向保持控制研究

  更多相关文章： 航向保持 网络控制系统 简捷鲁棒控制 时延 丢包

【摘要】：船舶航行安全一直是世界各国非常关注的问题。在海盗威胁较为严峻的形势下,如何避免船舶被劫持和被劫持后的应急处理已经是当前航运界关注的一个热点问题。海盗劫持船舶不仅影响海上运营,而且严重威胁船员人身安全。另外,随着水面无人船(Unmanned Surface Vehicle, USV)研究的不断深入,未来船舶将在船上没有一个人员的情况下通过远程操控穿越大洋运载货物到达目的地。一旦船舶上没有人员,意味着可以运载更多货物,产生更大利润,而且因人为失误造成的意外将大大减少,同时,海盗面对无人船也将束手无策。随着现代船岸一体化船舶监控系统新功能的不断升级,在逐渐提升运营效益的同时,也将更有效地保障航运生产安全。一旦船舶遭遇劫持等紧急情况,通过船岸一体化船舶监控系统,岸站中心可以实时接收船舶各项数据,根据船舶状态,实行远程操控。船舶运动控制系统通过通信网络进行数据交换,不可避免地面临网络控制系统(Networked Control System, NCS)固有的时延和数据包丢失等问题。本文为了研究船舶航向保持网络控制,处理NCS中时延对系统稳定性和性能的不良影响,首先对Internet及海事卫星通信网络的时延和丢包性能进行了实际测试和分析,结合其特性提出了一种新的鲁棒自适应神经网络控制方案,补偿不确定时延对一般严格反馈系统带来的影响。这种新的方案主要利用Lyapunov-Krasovskii函数对不确定时延进行补偿,使用Backstepping方法将每个步骤中的非线性项纵向传递到第n个子系统,然后引入径向基函数神经网络(]Radial Basis Function Neural Networks, RBFNNs)进行补偿镇定,最后进行了仿真验证。该方案具有形式简捷、易于工程应用等优点。为了同时处理NCS中时延和数据包丢失对系统造成的不良影响,引入辅助模型估计(Auxiliary Model Estimation, AME)方法,以特征模型作为辅助模型,用其输出代替被控对象在丢包情况下的估计值,并将Pade近似技术与闭环增益成形算法(Closed-loop gain shaping algorithm, CGSA)相结合设计考虑时延的船舶航向保持简捷鲁棒控制器,最后进行了仿真验证。该方法具有设计过程简单、工程实现容易、模型构建简洁、控制效果良好等优点。为了更方便地开展本文所研究算法的模拟测试实验,从仿真平台的实用性和易用性出发,利用Visual Basic(VB)用户图形界面设计简单和面向对象等特点,设计并实现了基于海事卫星通信的船舶航向保持控制仿真测试平台,弥补了单一数字仿真的局限性。结合本文所提出的针对NCS中时延的处理方法,在对海事卫星通信及Internet通信进行测试比较的基础上,验证了船舶航向保持运动通过海事卫星通信进行远程控制的可行性和平台的实用性。本文从提高远洋船舶遭遇劫持等紧急情况应急处理能力角度出发,提出岸站中心通过卫星通信网络实现对船舶的远程操控,解决船舶航向保持网络控制研究中时延、数据包丢失对整个闭环系统带来的不良影响,并设计和实现了基于海事卫星通信的船舶远程控制仿真测试平台。通过本文的研究,船舶实现远程控制具有较高的技术可行性。
【关键词】：航向保持 网络控制系统 简捷鲁棒控制 时延 丢包
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.82
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• abstract8-13
• 第1章 绪论13-36
• 1.1 课题的研究背景及意义13-15
• 1.2 船舶自动舵的研究现状15-25
• 1.2.1 船舶自动舵的国外研究现状16-19
• 1.2.2 船舶自动舵的国内研究现状19-23
• 1.2.3 船舶自动舵的发展趋势23-25
• 1.3 网络控制系统的研究现状25-33
• 1.3.1 具有网络诱导时延的网络控制系统研究现状28-30
• 1.3.2 具有数据包丢失的网络控制系统研究现状30-32
• 1.3.3 网络控制系统的发展趋势32-33
• 1.4 论文的主要工作与内容33-36
• 第2章 基础知识36-53
• 2.1 简捷鲁棒控制理论36-41
• 2.1.1 比鲁棒控制的混合灵敏度问题37-38
• 2.1.2 闭环增益成形算法38-41
• 2.2 船舶平面运动数学模型41-46
• 2.2.1 状态空间型船舶平面运动数学模型43-44
• 2.2.2 航向保持系统非线性数学模型44-46
• 2.3 辅助模型辨识思想46-48
• 2.4 国际海事卫星通信系统48-52
• 2.5 本章小结52-53
• 第3章 具有时延的船舶航向保持网络控制53-72
• 3.1 通信网络性能实测53-58
• 3.1.1 Internet性能测试54-56
• 3.1.2 海事卫星通信网络性能测试56-58
• 3.2 问题描述58-59
• 3.3 考虑通信时延的船舶航向保持鲁棒自适应控制59-67
• 3.3.1 控制器设计60-66
• 3.3.2 稳定性分析66-67
• 3.4 仿真实例67-71
• 3.5 本章小结71-72
• 第4章 考虑时延和丢包的船舶航向保持网络控制系统设计72-84
• 4.1 问题描述72-73
• 4.2 基于特征模型的船舶运动数学模型73-76
• 4.3 考虑时延和丢包的网络控制系统设计与分析76-80
• 4.3.1 时延处理76-79
• 4.3.2 丢包处理79-80
• 4.4 仿真实例80-83
• 4.5 本章小结83-84
• 第5章 基于海事卫星通信的船舶航向保持控制测试平台84-100
• 5.1 引言84-85
• 5.2 基于海事卫星通信的船舶远程控制85-86
• 5.3 测试平台设计与开发86-95
• 5.3.1 平台功能结构87-89
• 5.3.2 平台关键技术89-92
• 5.3.3 界面设计92-95
• 5.4 仿真实例95-99
• 5.4.1 基于Internet通信进行仿真测试95-97
• 5.4.2 基于海事卫星通信进行仿真测试97
• 5.4.3 本文所提算法验证仿真测试97-99
• 5.5 本章小结99-100
• 第6章 总结与展望100-102
• 6.1 全文总结100-101
• 6.2 研究展望101-102
• 参考文献102-112
• 攻读学位期间公开发表论文112-113
• 致谢113-114
• 作者简介114

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张俊;罗大庸;孙妙平;;一种基于时滞区间不均分方法的变时延网络控制系统的新稳定性条件[J];电子学报;2016年01期

2 王欣;刘正江;李铁山;蔡W，

本文编号：911227