基于模拟退火算法的船舶航向PID控制器参数优化研究

发布时间：2017-10-01 12:01

  本文关键词：基于模拟退火算法的船舶航向PID控制器参数优化研究

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【摘要】：船舶航向控制大多数是传统的PID控制,它以其原理简单、易于实现、适应性强、参数调整较容易等特点得到了广泛地应用,但是传统的PID控制器参数整定方法通常并不能取得预期的效果。因此,运用多种不同的优化方法来解决PID参数优化问题成为了最有效的控制系统设计方案。模拟退火算法(SA)是基于局部搜索算法的改进搜索算法,本文利用其思路清晰、原理简单、使用灵活的特点对舶航向控制PID参数进行离线优化,首先根据船舶航向控制应保证航向偏差和操纵舵角应尽量小的特点,确定SA算法优化的目标函数和算法参数,利用SA算法对目标函数进行搜索迭代运算,得出优化后的PID参数,并进行MATLAB仿真实验与遗传算法(GA)和单纯形算法优化PID参数对比证明SA算法在优化PID参数的可行性和优越性,收敛时间短,系统无超调,上升快,应舵小,具有很强的鲁棒性。针对PID参数的SA优化中计算时间过长和可能遗失中间最优解的局限性,提出了一种改进的SA算法,增加算法中间记忆环节并优化冷却进度表,利用改进后的SA算法对船舶PID控制器进行仿真实验,并与普通的SA算法对比,改进后的SA算法收敛速度更快,得到的最终解也具有相当的可靠性,有一定的实用价值。
【关键词】：模拟退火算法 PID控制 船舶航向控制
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究历史和现状10-11
• 1.2.1 PID控制参数与优化现状10
• 1.2.2 船舶航向控制设备的研究历史和现状10-11
• 1.2.3 模拟退火算法的发展历史和现状11
• 1.2.4 小结11
• 1.3 本文主要工作11-13
• 第2章 船舶运动数学模型和PID控制器13-29
• 2.1 船舶操纵运动方程式13-15
• 2.1.1 坐标系13-14
• 2.1.2 船舶运动方程式的建立14-15
• 2.2 船舶运动数学模型15-22
• 2.2.1 船舶运动数学模型分类15-16
• 2.2.2 船舶响应型模型的推导16-22
• 2.3 舵机伺服系统数学模型22
• 2.4 海浪干扰模型22-23
• 2.5 PID控制器23-24
• 2.6 船舶PID航向控制器设计和仿真24-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第3章 模拟退火算法和改进的模拟退火算法29-38
• 3.1 组合优化问题29
• 3.2 邻域结构、整体最优解和局部最优29-30
• 3.3 局部搜索算法30-31
• 3.3.1 局部搜索算法的描述30
• 3.3.2 局部搜索算法的特性30
• 3.3.3 改善局部搜索算法性能的途径30-31
• 3.4 模拟退火算法31-35
• 3.4.1 固体退火过程31-32
• 3.4.2 Metropolis准则32-33
• 3.4.3 模拟退火算法33-35
• 3.5 模拟退火算法的改进35-37
• 3.5.1 模拟退火算法的改进方式35-36
• 3.5.2 模拟退火算法的改进思路36-37
• 3.5.3 改进的算法流程37
• 3.6 本章小结37-38
• 第4章 基于模拟退火算法的船舶航向PID控制研究38-53
• 4.1 模拟退火算法参数的确定38-45
• 4.1.1 目标函数的确定38-40
• 4.1.2 初始解、解空间、邻域结构和新解产生器40-42
• 4.1.3 冷却进度表42-43
• 4.1.4 SA算法步骤43-45
• 4.2 仿真实验及其结果分析45-50
• 4.3 改进的模拟退火算法性能验证50-51
• 4.4 本章小结51-53
• 第5章 结论与展望53-54
• 5.1 结论53
• 5.2 本文不足和未来工作的展望53-54
• 参考文献54-58
• 致谢58

【参考文献】

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本文编号：953306