RBF神经网络优化自抗扰在船舶航迹控制中的应用
发布时间：2021-08-05 14:22
为了解决非线性自抗扰控制器（NLADRC）参数在线整定问题,提高船舶在海上航行的安全性和经济性,针对船舶的航迹控制,本文采用径向基函数（RBF）神经网络优化的自抗扰控制方法。自抗扰控制技术是对PID控制技术进行改进后发展起来的现代控制技术,人工智能算法的发展为自抗扰控制算法提供了新的思路。通过仿真验证,本文设计的控制器提高了船舶航迹控制效果。本文采用了船舶运动分离型模型-MMG模型,对模型中的各种流体动力和干扰力进行了逐个详细分析,通过仿真试验验证了模型的误差在允许的范围之内。对没有横向动力装置的欠驱动船舶航迹控制问题,利用双曲正切函数构造期望船首向角方程,将航迹控制问题转化为航向的保持控制问题。常规的非线性自抗扰控制器参数众多整定困难,抗干扰能力差,本文受神经网络整定PID控制器参数的启发,将RBF神经网络与自抗扰控制器相结合,设计了 RBF神经网络优化的船舶航迹自抗扰控制器,将控制量和系统输出作为神经网络的输入,使网络输出逼近系统输出,对非线性自抗扰控制器中相当于PID控制算法中的比例增益和微分增益的两个参数进行在线整定。最后以SHANG HAI号集装箱船为仿真对象,利用Matla...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．?１空间固定坐标系和随船运动坐标系??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｐａｃｅ－ｆｉｘｅｄ?ａｎｄ?ｂｏｄｙ－ｆｉｘｅｄ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｙｓｔｅｍｓ??
?ＲＢＦ神经网络优化自抗扰在船舶航迹控制中的应用???随船运动坐标系还被称为附体坐标系，用表示，其原点通常选择船舶重心??并与船体位置一同改变，轴朝向船首的方向规定是正方向，轴朝向船舶右舷??的方向规定是正方向，Ｏｆ。轴与水线面垂直朝向龙骨的方向规定是正方向。??船舶在水中沿着通过重心的ｘ〇、ｙＱ、轴运动，一般包括６个自由度，即沿＜９（）；＾轴、??凡轴、轴的直线运动和围绕三个坐标轴的转动。具体如表２．１所示。??表２．１各运动形态物理量表示???Ｔａｂ．?２．１?Ｐｈｙｓｉｃａｌ?ｑｕａｎｔｉｔｙ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅａｃｈ?ｍｏｔｉｏｎ???运动形态?线速度或角速度?力或力矩?位置或欧拉角??纵荡?ｗ?ｘ??横荡?ｖ?ｒ??垂荡?ｗ?ｚ?ｚ??横摇?ｐ?Ｋ?＜Ｐ??纵摇?ｑ?Ｍ?６??艏摇?ｒ?Ｎ?￥??２．?２船舶运动方程??２．?２．?１船舶运动模型的建立??对于常规船舶的运动控制研究，主要考虑船舶在水平面的运动，由于纵摇运动、横??摇运动和垂荡运动对水平面内的运动影响很小，所以通常不考虑，只分析纵荡、横荡和??艏摇运动，这样便将船舶运动从６个自由度降到了?３个［５７］，即沿着ｘＱ、ｙ（）轴的直线运动??和绕％轴的旋转运动，简化后见图２．２。??Ｎ?‘??＾＾??图２．?２船舶平面运动位置与运动参数??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｈｉｐ＇ｓ?ｐｌａｎｉｍｅｔｒｉｃ?ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｍｏｔｉｏｎ?ｐａｒａｍｅｔｅｒ??－８－??
，大部分情况为航向角变化１８０°时船舶??重心横向运动的距离，可作为船舶旋回过程中横向所需海域面积的评判标准，横距大则??船舶的旋回性差。对旋回初径的要求一般在２．８？５．０Ｌｐｐ之间。??为了使试验结果具有普遍意义，ＩＭＯ安全委员会在ＭＳＣ／Ｃｉｒｃ．６４４中对试验条件作??了明确规定，应尽可能在平静的水域进行船舶操纵性试验，所以本文在理想海况下进行??左旋回试验，左满舵５?＝?－３５°，平吃水７．１５５ｍ，船舶初始速度Ｖ〇?＝?２４ｋｎ，主机转速??ｎ＝８５ｒ／ｍｉｎ，仿真图像如图２．３所示。??１０００?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??８００?■?．??？???－??６００?－?■?？?ｊｒ?■??????；??４００?－?ｋ?＼??，－々?．．．：．．．．．．．．．．）＾??〇＿?Ｖ．丨?：少乂…??－２００?－??－４００??＇?＇?＇?＇?＇?＇???－１４００?－１２００?－１０００?－８００?－６００?－４００?－２００?０??ｙ／ｍ??图２．?３左旋回试验仿真图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｒｅｓｕｌｔ?ｏｆ?ｌｅｆｔ?ｔｕｒｎｉｎｇ?ｔｅｓｔ??由仿真得到：进距＝?３．５２Ｌｐｐ（９４０ｍ），而实船试验进距＝?３．Ｓ８Ｌｐｐ，相差０．?０６Ｌｐｐ；??旋回初径＝?Ｓ．０９Ｌｐｐ?（１３６０ｍ），而实船试验的旋回初径仏＝５．０３Ｌｐｐ，相差０．?０６Ｌｐｐ。??－１６－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]航运业高质量发展的两大驱动层面[J]. 许立荣. 中国水运. 2019(08)
[2]基于模糊RBF神经网络的PID控制方法及应用[J]. 潘玉成,林鹤之,陈小利,吕仙银. 机械制造与自动化. 2019(03)
[3]基于在线学习的机载光电系统扩张状态观测器参数整定研究[J]. 周德召,刘晓东,李佳庆,王合龙. 电光与控制. 2019(08)
[4]基于改进PID控制的船舶航迹跟踪研究[J]. 沙春,罗霁,钱黎明. 舰船科学技术. 2018(22)
[5]Backstepping sliding mode control for uncertain strict-feedback nonlinear systems using neural-network-based adaptive gain scheduling[J]. YANG Yueneng,YAN Ye. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(03)
[6]PID控制器优化的船舶航迹跟踪控制[J]. 傅康,桑华希. 舰船科学技术. 2017(24)
[7]基于线性自抗扰控制的船舶航迹积分滑模控制器[J]. 邱峰,李伟,宁君. 上海海事大学学报. 2017(03)
[8]欠驱动水面船舶的有限时间航迹跟踪控制[J]. 王昱棋,李铁山. 哈尔滨工程大学学报. 2017(05)
[9]基于RBF神经网络自适应PID四旋翼飞行器控制[J]. 李砚浓,李汀兰,姜艺,范家璐. 控制工程. 2016(03)
[10]基于高增益观测器的船舶航迹鲁棒跟踪控制[J]. 王虎军,王璐. 中国造船. 2015(03)
博士论文
[1]基于人工神经智能的船舶航迹保持控制及通航安全应用研究[D]. 李伟.大连海事大学 2014
[2]欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究[D]. 李荣辉.大连海事大学 2013
[3]欠驱动水面船舶航向、航迹非线性鲁棒控制研究[D]. 刘文江.山东大学 2012
硕士论文
[1]基于高阶滑模的船舶直线航迹控制[D]. 蔡成.大连海事大学 2017
[2]航线优化对于风翼助航船舶节能的影响研究[D]. 傅超.大连海事大学 2017
[3]相对漂浮船舶动力定位的跟踪控制方法研究[D]. 王仲.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：3323910
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．?１空间固定坐标系和随船运动坐标系??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｐａｃｅ－ｆｉｘｅｄ?ａｎｄ?ｂｏｄｙ－ｆｉｘｅｄ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｙｓｔｅｍｓ??
?ＲＢＦ神经网络优化自抗扰在船舶航迹控制中的应用???随船运动坐标系还被称为附体坐标系，用表示，其原点通常选择船舶重心??并与船体位置一同改变，轴朝向船首的方向规定是正方向，轴朝向船舶右舷??的方向规定是正方向，Ｏｆ。轴与水线面垂直朝向龙骨的方向规定是正方向。??船舶在水中沿着通过重心的ｘ〇、ｙＱ、轴运动，一般包括６个自由度，即沿＜９（）；＾轴、??凡轴、轴的直线运动和围绕三个坐标轴的转动。具体如表２．１所示。??表２．１各运动形态物理量表示???Ｔａｂ．?２．１?Ｐｈｙｓｉｃａｌ?ｑｕａｎｔｉｔｙ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅａｃｈ?ｍｏｔｉｏｎ???运动形态?线速度或角速度?力或力矩?位置或欧拉角??纵荡?ｗ?ｘ??横荡?ｖ?ｒ??垂荡?ｗ?ｚ?ｚ??横摇?ｐ?Ｋ?＜Ｐ??纵摇?ｑ?Ｍ?６??艏摇?ｒ?Ｎ?￥??２．?２船舶运动方程??２．?２．?１船舶运动模型的建立??对于常规船舶的运动控制研究，主要考虑船舶在水平面的运动，由于纵摇运动、横??摇运动和垂荡运动对水平面内的运动影响很小，所以通常不考虑，只分析纵荡、横荡和??艏摇运动，这样便将船舶运动从６个自由度降到了?３个［５７］，即沿着ｘＱ、ｙ（）轴的直线运动??和绕％轴的旋转运动，简化后见图２．２。??Ｎ?‘??＾＾??图２．?２船舶平面运动位置与运动参数??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｈｉｐ＇ｓ?ｐｌａｎｉｍｅｔｒｉｃ?ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｍｏｔｉｏｎ?ｐａｒａｍｅｔｅｒ??－８－??
，大部分情况为航向角变化１８０°时船舶??重心横向运动的距离，可作为船舶旋回过程中横向所需海域面积的评判标准，横距大则??船舶的旋回性差。对旋回初径的要求一般在２．８？５．０Ｌｐｐ之间。??为了使试验结果具有普遍意义，ＩＭＯ安全委员会在ＭＳＣ／Ｃｉｒｃ．６４４中对试验条件作??了明确规定，应尽可能在平静的水域进行船舶操纵性试验，所以本文在理想海况下进行??左旋回试验，左满舵５?＝?－３５°，平吃水７．１５５ｍ，船舶初始速度Ｖ〇?＝?２４ｋｎ，主机转速??ｎ＝８５ｒ／ｍｉｎ，仿真图像如图２．３所示。??１０００?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??８００?■?．??？???－??６００?－?■?？?ｊｒ?■??????；??４００?－?ｋ?＼??，－々?．．．：．．．．．．．．．．）＾??〇＿?Ｖ．丨?：少乂…??－２００?－??－４００??＇?＇?＇?＇?＇?＇???－１４００?－１２００?－１０００?－８００?－６００?－４００?－２００?０??ｙ／ｍ??图２．?３左旋回试验仿真图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｒｅｓｕｌｔ?ｏｆ?ｌｅｆｔ?ｔｕｒｎｉｎｇ?ｔｅｓｔ??由仿真得到：进距＝?３．５２Ｌｐｐ（９４０ｍ），而实船试验进距＝?３．Ｓ８Ｌｐｐ，相差０．?０６Ｌｐｐ；??旋回初径＝?Ｓ．０９Ｌｐｐ?（１３６０ｍ），而实船试验的旋回初径仏＝５．０３Ｌｐｐ，相差０．?０６Ｌｐｐ。??－１６－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]航运业高质量发展的两大驱动层面[J]. 许立荣. 中国水运. 2019(08)
[2]基于模糊RBF神经网络的PID控制方法及应用[J]. 潘玉成,林鹤之,陈小利,吕仙银. 机械制造与自动化. 2019(03)
[3]基于在线学习的机载光电系统扩张状态观测器参数整定研究[J]. 周德召,刘晓东,李佳庆,王合龙. 电光与控制. 2019(08)
[4]基于改进PID控制的船舶航迹跟踪研究[J]. 沙春,罗霁,钱黎明. 舰船科学技术. 2018(22)
[5]Backstepping sliding mode control for uncertain strict-feedback nonlinear systems using neural-network-based adaptive gain scheduling[J]. YANG Yueneng,YAN Ye. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(03)
[6]PID控制器优化的船舶航迹跟踪控制[J]. 傅康,桑华希. 舰船科学技术. 2017(24)
[7]基于线性自抗扰控制的船舶航迹积分滑模控制器[J]. 邱峰,李伟,宁君. 上海海事大学学报. 2017(03)
[8]欠驱动水面船舶的有限时间航迹跟踪控制[J]. 王昱棋,李铁山. 哈尔滨工程大学学报. 2017(05)
[9]基于RBF神经网络自适应PID四旋翼飞行器控制[J]. 李砚浓,李汀兰,姜艺,范家璐. 控制工程. 2016(03)
[10]基于高增益观测器的船舶航迹鲁棒跟踪控制[J]. 王虎军,王璐. 中国造船. 2015(03)
博士论文
[1]基于人工神经智能的船舶航迹保持控制及通航安全应用研究[D]. 李伟.大连海事大学 2014
[2]欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究[D]. 李荣辉.大连海事大学 2013
[3]欠驱动水面船舶航向、航迹非线性鲁棒控制研究[D]. 刘文江.山东大学 2012
硕士论文
[1]基于高阶滑模的船舶直线航迹控制[D]. 蔡成.大连海事大学 2017
[2]航线优化对于风翼助航船舶节能的影响研究[D]. 傅超.大连海事大学 2017
[3]相对漂浮船舶动力定位的跟踪控制方法研究[D]. 王仲.哈尔滨工程大学 2008
本文编号：3323910
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