舰船减摇的多维泰勒网优化控制研究

发布时间：2017-10-12 16:25

  本文关键词：舰船减摇的多维泰勒网优化控制研究

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【摘要】：舰船在海上航行时,会受到风、流、浪等各种海洋环境干扰,因此船体产生无法避免的摇荡运动。其中,横摇运动的影响最显著。剧烈的横摇使船上工作人员无法正常工作,武器、设备使用性能降低,更严重地影响舰船的安全性。因此,有效地减小舰船摇荡运动是十分必要的,这样也可增加舰船的使用寿命。同时,本文考虑舰船艏摇运动与其横摇运动之间的耦合作用。舰船运动还具有非线性和不确定性,研究不确定非线性系统的控制问题具有重要的理论意义和现实需要。本文以舰船为研究对象,提出了一种基于多维泰勒网优化控制的舰船减摇控制方法,并与传统PID控制和滑模变结构控制作比较,通过MATLAB仿真来总结各自的优缺点。本文的主要内容包括：1.分析舰船的动力学模型,考虑横摇运动与艏摇运动之间的耦合作用,建立横荡、横摇、艏摇三自由度的舰船仿真模型,同时分析海浪干扰模型。为了与实际情况更相符,减摇鳍与舵机的结构中加入了限幅限速环节。2.设计舰船减摇系统的PID控制器,并采用MATLAB/Simulink自带的优化工具优化PID控制器参数。由于滑模变结构控制对一般非线性系统可以起到较好的控制效果,本文设计了舰船减摇系统的非线性变结构控制器。3.设计舰船减摇系统的多维泰勒网控制器,介绍了用极小值原理求取被控模型的最优控制信号的算法与用共轭梯度法优化多维泰勒网控制器参数的算法。由于时间原因,本文在PID控制基础上设计,采用全过程的共轭梯度法优化控制器参数。4.设计系统的一个仿真平台,并使用MATLAB中的图形用户界面GUI设计系统的用户操作界面。在某种海浪干扰情况下,优化在三自由度的舰船模型中各控制器参数,比较三种控制方法的控制效果。然后,在其他海况下,进行海浪干扰下仿真实验。通过分析每种海况下仿真结果,表明在大部分选取的海浪干扰情况下多维泰勒网控制效果较好,但PID控制相对较差,滑模变结构控制对干扰存在稳定性问题。5.对本研究所做的工作进行总结,并讨论了课题进一步研究的问题。
【关键词】：舰船减摇 PID控制 滑模变结构控制 多维泰勒网优化控制 仿真平台
【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】：U664.7;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景和意义11
• 1.2 舰船减摇装置和操纵装置11-13
• 1.2.1 舰船减摇装置11-12
• 1.2.2 舰船操纵装置12-13
• 1.3 课题研究现状13-15
• 1.3.1 减摇鳍发展现状13
• 1.3.2 计算机仿真13-14
• 1.3.3 控制方法研究现状14-15
• 1.4 课题的主要内容和论文结构15-17
• 1.4.1 论文内容15-16
• 1.4.2 论文结构16-17
• 第二章 舰船运动模型17-31
• 2.1 舰船动力学分析17-20
• 2.1.1 舰船运动分析中的坐标17-18
• 2.1.2 舰船动力学模型18-20
• 2.2 船体所受外力及外力矩分析20-22
• 2.2.1 影响舰船水动力和水动力矩的因素21-22
• 2.2.2 水动力与水动力矩方程22
• 2.3 控制力和力矩22-26
• 2.3.1 舵的作用力和力矩23-25
• 2.3.2 鳍的作用力和力矩25-26
• 2.4 海浪干扰模型26-29
• 2.4.1 海浪基本概念26-28
• 2.4.2 海浪的干扰力和力矩28-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第三章 舰船的PID控制器设计31-45
• 3.1 PID控制应用31-33
• 3.1.1 PID控制算法31
• 3.1.2 PID参数调节方法31-32
• 3.1.3 控制结构32-33
• 3.2 减摇鳍的PID控制设计33-36
• 3.2.1 减摇鳍控制系统的组成33-35
• 3.2.2 设计减摇鳍PID控制器35-36
• 3.3 舵机的PID控制设计36-41
• 3.3.1 舵机的工作原理36-37
• 3.3.2 设计舵机PID控制器37-41
• 3.4 PID控制分析41-43
• 3.4.1 PID控制器与结果分析41-42
• 3.4.2 传统PID控制的优缺点42-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 舰船的滑模变结构控制器设计45-55
• 4.1 滑模变结构控制简介45-50
• 4.1.1 滑模控制基本原理45-47
• 4.1.2 滑模变结构控制系统的性质47-49
• 4.1.3 滑模控制的设计方法49-50
• 4.2 减摇鳍的滑模控制器设计50-51
• 4.3 舵机的滑模控制器设计51-53
• 4.4 变结构控制分析53-54
• 4.4.1 变结构控制器与结果分析53-54
• 4.4.2 滑模变结构控制的优缺点54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 舰船的多维泰勒网控制器设计55-67
• 5.1 多维泰勒网控制简介55-58
• 5.1.1 原理简介55-57
• 5.1.2 系统的控制结构57
• 5.1.3 研究现状57-58
• 5.2 多维泰勒网控制器设计方法58-62
• 5.2.1 计算期望控制输入与输出58-60
• 5.2.2 多维泰勒网学习算法60-62
• 5.3 设计控制器62-64
• 5.4 多维泰勒网控制分析64-65
• 5.4.1 控制结果分析64
• 5.4.2 多维泰勒网控制方法评估64-65
• 5.5 本章小结65-67
• 第六章 系统仿真平台设计67-91
• 6.1 仿真技术简介67-70
• 6.1.1 仿真软件简介67-68
• 6.1.2 Simulink图形仿真68-69
• 6.1.3 M文件69
• 6.1.4 GUI图形用户界面69-70
• 6.2 仿真平台的框架结构70-71
• 6.3 仿真平台的登录和参数初始化71-74
• 6.3.1 登录操作71-73
• 6.3.2 参数初始化73-74
• 6.4 系统各控制器设计74-76
• 6.4.1 PID控制器线性设计74-75
• 6.4.2 滑模控制器非线性设计75-76
• 6.4.3 多维泰勒网控制器非线性设计76
• 6.5 系统对比仿真实验设计76-89
• 6.5.1 海浪干扰的仿真模型76-77
• 6.5.2 无控制器仿真实验77
• 6.5.3 精确计算仿真实验77-89
• 6.6 本章小结89-91
• 第七章 总结与展望91-95
• 7.1 本文工作内容与结果总结91-92
• 7.1.1 工作总结91-92
• 7.1.2 结果总结92
• 7.2 下一步工作展望92-95
• 致谢95-97
• 参考文献97-101
• 发表论文列表101

【参考文献】

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本文编号：1019754