基于航向目标轨迹的船舶操纵的参数设计与仿真

发布时间：2017-09-26 04:18

  本文关键词：基于航向目标轨迹的船舶操纵的参数设计与仿真

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【摘要】：随着航运事业的发展,船舶逐步朝向大型化、高速化、智能化方向发展。超大型船舶在航行时,具有很大的惯性,对船舶的操纵控制要求高。另一方面,航运量的不断增大,船舶航行密度越来越大,航道及港口变得相对狭窄,船舶操纵变得更加困难和复杂。为保证安全,提高航行的经济性,对船舶的操纵性能提出了更高的要求,因而有必要采用新的控制理论和技术,研究性能更好的船舶操纵控制策略。伴随着自动控制理论和技术的发展,二十世纪五十年代古典控制理论被应用到船舶控制系统的研究,其研究的产物——PID自动舵现今被称为第一代自动舵；七十年代末,模型参考自适应控制和最小方差自校正控制等自适应控制技术又相继应用于自动舵的研制,由此诞生了自适应自动舵。然而,由于船舶运动的复杂性以及其受到的环境影响是随机的、难以预测的,因此,上述控制算法均未能彻底解决船舶航向的控制问题。直至九十年代研究发现,以往研究船的摇荡运动往往是以船舶的摇荡运动与操纵运动时可分离的假设为前提进行的,而实际上操舵对摇荡运动有很大的影响,特别是对横摇与艏摇。船速高、重心高度大、稳定性差的船,横倾对水平面运动影响比较大,在回转时表现更为突出,甚至在回转时会有倾覆的可能；操舵会产生横倾力矩而影响船的横摇。船体运行于较大波浪中时,船体的水平作用力的作用点与重心不在同一高度,因此也会产生横倾力矩。可见,横摇运动与水平面运动时强力耦合的,而这种相互耦合的运动根据试验数据可被拟合为多种非线性函数的形式。可见船舶的运动本质是耦合非线性、大干扰的过程,所以有必要基于船舶的非线性运动模型进行控制系统设计。本文首先建立船舶数学模型,对船舶航行过程中的由风、浪等自然条件形成的船舶受力情况进行分析,重点确定主要航向影响参数；其次选定直驱式转叶舵机作为航向改变设备,分析其工作原理,设计满足航向改变需求的直驱式转叶舵机伺服系统参数,并通过建模、仿真对其稳定性及跟踪性能进行分析；最后对模糊神经网络在船舶航迹控制领域的应用进行分析,设计相应船舶航向／航迹神经网络控制器,通过仿真验证控制器可行性,从而实现船舶由航向改变过渡至航迹保持的目标,即基于航向目标轨迹的船舶操纵的参数设计与仿真这一课题目标。
【关键词】：船舶航向 船舶航迹 直驱式转叶舵机 模糊神经网络
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题来源及研究意义9
• 1.2 船舶航向控制概述9-11
• 1.3 神经网络控制的发展现状11-12
• 1.4 本章小结12-13
• 第2章 船舶运动及建模13-32
• 2.1 参考坐标系13
• 2.2 船舶六自由度运动建模13-17
• 2.2.1 平移运动三方程14-15
• 2.2.2 旋转运动三方程15-17
• 2.2.3 空间六自由度一般方程17
• 2.3 船舶运动模型简化17-21
• 2.3.1 船舶四自由度耦合运动方程18
• 2.3.2 船舶水平面运动线性化模型18-21
• 2.4 船舶运动模型参数的计算21-27
• 2.4.1 附加质量和附加惯性矩的估算21-22
• 2.4.2 耦合运动模型黏性水动力系数的估算22-25
• 2.4.3 线性模型黏性水动力系数的估算25-26
• 2.4.4 船舶耦合运动模型水动力系数计算结果26-27
• 2.4.5 船舶线性简化模型水动力系数计算结果27
• 2.5 环境干扰建模27-30
• 2.5.1 浪干扰建模27-29
• 2.5.2 风干扰建模29
• 2.5.3 水流干扰建模29-30
• 2.6 船舶运动仿真分析30-31
• 2.7 本章小结31-32
• 第3章 直驱式转叶舵机伺服系统32-46
• 3.1 直驱式转叶舵机伺服系统简述32
• 3.2 直驱式转叶舵机的组成结构32-33
• 3.2.1 变频调速机构32-33
• 3.2.2 动力泵机构33
• 3.2.3 转叶式马达33
• 3.3 直驱式转叶舵机系统的工作原理33-34
• 3.4 直驱式转叶舵机数学模型的建立34-42
• 3.4.1 变频调速环节34-37
• 3.4.2 液压动力环节37-39
• 3.4.3 直驱式转叶舵机的线性数学模型39
• 3.4.4 直驱式转叶舵机系统的参数确定39-40
• 3.4.5 直驱式转叶舵机的稳定性研究40-41
• 3.4.6 PID控制器的参数自调节41-42
• 3.5 系统的仿真研究42-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 船舶航迹/航向神经网络建模及仿真46-57
• 4.1 模糊神经网络46
• 4.2 模糊神经网络控制器的设计46-47
• 4.3 船舶航迹/航向控制过程分析47-50
• 4.3.1 航迹回归阶段分析48
• 4.3.2 航迹保持阶段分析48-50
• 4.4 船舶航迹/航向神经网络控制器结构设计50-53
• 4.4.1 前件网络52-53
• 4.4.2 后件网络53
• 4.5 基于免疫模糊遗传算法的优化设计53
• 4.6 船舶航迹/航向神经网络控制系统仿真53-56
• 4.6.1 船舶初始状态及期望航迹设计54
• 4.6.2 船舶航迹/航向系统仿真原理图54
• 4.6.3 仿真结果54-56
• 4.7 本章小结56-57
• 第5章 总结与展望57-58
• 参考文献58-59

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 蒋丹东,朱利民,贾欣乐;智能式航迹自动舵的海上试验研究[J];中国造船;1998年03期

2 胡耀华,贾欣乐;广义预测控制应用于船舶航向和航迹保持[J];中国造船;1998年01期

3 丛望;赵国良;;航迹保持指数控制算法[J];应用科技;1989年01期

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本文编号：921439