船舶动力定位系统分数阶自抗扰控制研究
发布时间：2021-08-06 11:49
随着人类对海洋探索的不断深入,探索范围逐渐向深海迈进,人们对深海作业船舶的定位系统研究也逐渐加深。传统的锚泊定位已不能满足深海作业的需要,因此新的动力系统逐渐广泛地应用于各种船舶及平台,其中船舶动力定位问题研究具有重要的理论意义和应用价值。控制系统是动力定位系统的核心,本文主要对动力定位控制系统中的控制算法进行研究,并完成了以下几个方面工作:（1）讨论了分数阶控制与自抗扰控制原理,这是本文控制算法的理论基础。（2）建立了分离型船舶运动数学模型及船舶动力定位数学模型,考虑风浪流等扰动建立船舶所受干扰力模型。（3）结合分数阶微积分理论,设计分数阶PID控制器,并将其应用于船舶动力定位系统。通过与整数阶PID控制器对比分析可知分数阶PID控制器具有响应速度快,鲁棒性强,控制精度高等优点:在船舶动力定位系统中,理想海况下分数阶PID控制器能够更快的使船舶到达期望位置。（4）针对船舶动力定位系统中分数阶控制器参数多、调节复杂的问题,本文提出将混合粒子群算法引入到控制器设计中,对分数阶PID控制器的参数进行在线整定。仿真结果表明该算法在一定程度上避免了传统粒子群算法的缺陷,收敛速度更快;优化得到的...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１系统阶次与稳定区域关系图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｒｄｅｒ?ａｎｄ?ｓｔａｂｌｅ?ａｒｅａ??
了跟踪微分器，以保证观测器的输入信号的平滑、连续。传统的ＡＤＲＣ—般由三个结??构共同构成，分别为跟踪微分器（ＴＤ）、扩张状态观测器（ＥＳＯ）以及非线性状态误差反馈??控制律（ＮＬＳＥＦ），二阶ＡＤＲＣ结构如图所示［５３】：??―‘?Ｖ?ｅｉ??１?』?｜?１?．??￣￣ｅ?＾?ＮＬＳＥＦ??＾?被控对象二＾￣￣￣？??分器?？?丨?丨????Ａ－?Ｖ??１／ｂＯ?｜?ｂＯ???匕扩张状态＾????：??观测器＾??－１????图２．２自抗扰算法结构框图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＡＤＲＣ?Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ??其中，ＴＤ的作用是跟踪输入信号，获得输入信号的微分，并且具有过滤噪声的功能；??ＥＳＯ的作用是估计系统中的总扰动，异补偿到控制器中％是整个自抗扰控制的核心；??ＮＬＳＥＦ的作用是获得控制量，决定自抗扰控制器的控制性能。整个自抗扰控制系统的工??作流程为：首先输入信号经过ＴＤ后，产生跟踪信号以及微分信号［７１１；然后与ＥＳＯ给出??的状态估计值相比，得到误差值后进入ＮＬＳＥＦ中；最后ＥＳＯ估计岀的总扰动计算出需??要补偿的控制量与ＮＬＳＥＦ计算出的控制量相加得到总控制量输入到被控对象中［５４】。??ｉ?？?？??２．４．２跟踪微分器（ＴＤ）??１?？?＊??ＴＤ是一个能够合理提取微分信号的模块，获得准确的微分信号以提高控制器性能。??其工作原理如下：??定理２．２如果有以下二阶系统：??（２?３５）??＝－ｇ（ｘ，，ｘ２）??ｌ?．??－１３－??
?大连海事大学专业学位硕士学位论文???３动力定位船舶运动数学模型??３．１引言??船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心，是船舶动力定位系统仿真的??基淳５９］。但是船舶在海洋中行驶容易遭受风、浪、流等外界环境干扰，这些因素导致船??舶偏离期望航向或位置。船舶的运动是复杂的六自由度运动，分别为纵荡（ｓｕｒｇｅ）、横??荡（ｓｗａｙ）、垂荡（ｈｅａｖｅ）、横摇（ｒｏｌｌ）、纵摇（ｐｉｔｃｈ）和艏摇（ｙａｗ）。这些运动之间存??在耦合，建立船舶实际的模型太过复杂，而且一些参数难以估计，不利于仿真实现。而??如果船舶模型过于简化就不能准确的描述系统真实特性，因此建立合理船舶数学模模型??就尤为重要。本章主要以海洋石油“６８１”船舶为例，建立船舶ＭＭＧ模型，并在此基础??上把其简化为船舶低频运动学模型。??３．２船舶数学模型??３．２．?１坐标系及坐标变换??船舶数学模型一般分为两种：一种是船舶运动学模型，主要描述船舶的位置、速度、??加速度随时间变化的关系；另一种是船舶动力学模型，主要研究船舶所受的力和力矩作??用在船体后如何改变其运动位置和姿态。而船舶模型的建立一般要先建立惯性坐标系和??船体坐标系，如图３．１所示。??Ｉ??：１??图３．１惯性坐标与船体坐标??Ｆｉｇ．?３．１１?Ｅａｒｔｈ－ｆｉｘｅｄ?ａｎｄ?Ｂｏｄｙ－ｆｉｘｅｄ?ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ?ｆｒａｍｅ??－２１－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进状态空间模型遗传算法的分数阶PID控制器优化设计[J]. 齐战,李茂军,肖雨荷,刘芾. 控制与信息技术. 2019(06)
[2]基于自抗扰控制耦合四旋翼姿态稳定性研究[J]. 史艳霞,乔佳,薛珑. 控制工程. 2019(11)
[3]自抗扰控制方法在单级倒立摆摆角控制中的应用[J]. 郭一军. 天津理工大学学报. 2018(06)
[4]基于遗传混沌粒子群混合算法的船舶动力定位推力分配研究[J]. 李新想,王锡淮,肖健梅. 舰船科学技术. 2018(23)
[5]基于人工鱼群算法的分数阶PIλ控制器参数整定[J]. 张学典,王富彦,秦晓飞. 计算机应用研究. 2019(03)
[6]基于粒子群优化的分数阶PID滑模控制参数整定[J]. 王心,郭伟,魏妙. 测控技术. 2017(12)
[7]分数阶PID仿人智能控制算法在车辆自动驾驶系统中的应用[J]. 李文杰. 电脑与信息技术. 2017(05)
[8]基于扩张观测器的船舶动力定位系统反演滑模变结构控制[J]. 金月,俞孟蕻,袁伟,樊冀生. 舰船科学技术. 2017(03)
[9]基于线性自抗扰控制的UUV航向控制器设计[J]. 黄健,何江虹. 计算机仿真. 2015(06)
[10]线性跟踪微分器跟踪干扰信号的研究[J]. 董存会,练星,武晓辉. 纺织高校基础科学学报. 2014(04)
博士论文
[1]粒子群优化分数阶控制器及欠驱动船舶航向控制研究[D]. 李光宇.大连海事大学 2016
[2]分数阶系统的控制理论研究[D]. 梁舒.中国科学技术大学 2015
[3]应用于船舶动力定位的标准可加性模型智能控制方法研究[D]. 苏晓鹭.大连海事大学 2015
[4]船舶动力定位系统的自抗扰控制研究[D]. 雷正玲.大连海事大学 2014
[5]船舶动力定位的智能控制及推力分配研究[D]. 刘洋.大连海事大学 2013
[6]动力定位船舶非线性自适应控制研究[D]. 杨杨.大连海事大学 2013
[7]高超声速飞行器分数阶PID及自抗扰控制研究[D]. 秦昌茂.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]分数阶PID控制器的参数整定分析[D]. 齐天.河北科技大学 2019
[2]基于自抗扰控制的水面无人船跟踪控制[D]. 公冕.哈尔滨工业大学 2018
[3]船舶动力定位系统智能自抗扰控制研究[D]. 杨芳芳.大连海事大学 2018
[4]基于自抗扰控制技术的永磁同步电机调速系统[D]. 张羽.西南交通大学 2017
[5]船舶航向局部逼近神经网络复合自抗扰控制研究[D]. 李永正.大连海事大学 2017
[6]基于无人机飞行控制系统的模糊分数阶控制器的设计与仿真实现[D]. 韩瑞杰.东北大学 2017
[7]分数阶微积分算子的逼近方法及其应用[D]. 吴萌.长春理工大学 2016
[8]基于滑模变结构的船舶动力定位控制研究[D]. 邵井丰.大连海事大学 2015
[9]动力定位系统神经网络与PD混合控制研究[D]. 吴紫梦.大连海事大学 2015
[10]船舶动力定位自抗扰控制及仿真的研究[D]. 高峰.大连海事大学 2013
本文编号：3325723
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１系统阶次与稳定区域关系图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｒｄｅｒ?ａｎｄ?ｓｔａｂｌｅ?ａｒｅａ??
了跟踪微分器，以保证观测器的输入信号的平滑、连续。传统的ＡＤＲＣ—般由三个结??构共同构成，分别为跟踪微分器（ＴＤ）、扩张状态观测器（ＥＳＯ）以及非线性状态误差反馈??控制律（ＮＬＳＥＦ），二阶ＡＤＲＣ结构如图所示［５３】：??―‘?Ｖ?ｅｉ??１?』?｜?１?．??￣￣ｅ?＾?ＮＬＳＥＦ??＾?被控对象二＾￣￣￣？??分器?？?丨?丨????Ａ－?Ｖ??１／ｂＯ?｜?ｂＯ???匕扩张状态＾????：??观测器＾??－１????图２．２自抗扰算法结构框图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＡＤＲＣ?Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ??其中，ＴＤ的作用是跟踪输入信号，获得输入信号的微分，并且具有过滤噪声的功能；??ＥＳＯ的作用是估计系统中的总扰动，异补偿到控制器中％是整个自抗扰控制的核心；??ＮＬＳＥＦ的作用是获得控制量，决定自抗扰控制器的控制性能。整个自抗扰控制系统的工??作流程为：首先输入信号经过ＴＤ后，产生跟踪信号以及微分信号［７１１；然后与ＥＳＯ给出??的状态估计值相比，得到误差值后进入ＮＬＳＥＦ中；最后ＥＳＯ估计岀的总扰动计算出需??要补偿的控制量与ＮＬＳＥＦ计算出的控制量相加得到总控制量输入到被控对象中［５４】。??ｉ?？?？??２．４．２跟踪微分器（ＴＤ）??１?？?＊??ＴＤ是一个能够合理提取微分信号的模块，获得准确的微分信号以提高控制器性能。??其工作原理如下：??定理２．２如果有以下二阶系统：??（２?３５）??＝－ｇ（ｘ，，ｘ２）??ｌ?．??－１３－??
?大连海事大学专业学位硕士学位论文???３动力定位船舶运动数学模型??３．１引言??船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心，是船舶动力定位系统仿真的??基淳５９］。但是船舶在海洋中行驶容易遭受风、浪、流等外界环境干扰，这些因素导致船??舶偏离期望航向或位置。船舶的运动是复杂的六自由度运动，分别为纵荡（ｓｕｒｇｅ）、横??荡（ｓｗａｙ）、垂荡（ｈｅａｖｅ）、横摇（ｒｏｌｌ）、纵摇（ｐｉｔｃｈ）和艏摇（ｙａｗ）。这些运动之间存??在耦合，建立船舶实际的模型太过复杂，而且一些参数难以估计，不利于仿真实现。而??如果船舶模型过于简化就不能准确的描述系统真实特性，因此建立合理船舶数学模模型??就尤为重要。本章主要以海洋石油“６８１”船舶为例，建立船舶ＭＭＧ模型，并在此基础??上把其简化为船舶低频运动学模型。??３．２船舶数学模型??３．２．?１坐标系及坐标变换??船舶数学模型一般分为两种：一种是船舶运动学模型，主要描述船舶的位置、速度、??加速度随时间变化的关系；另一种是船舶动力学模型，主要研究船舶所受的力和力矩作??用在船体后如何改变其运动位置和姿态。而船舶模型的建立一般要先建立惯性坐标系和??船体坐标系，如图３．１所示。??Ｉ??：１??图３．１惯性坐标与船体坐标??Ｆｉｇ．?３．１１?Ｅａｒｔｈ－ｆｉｘｅｄ?ａｎｄ?Ｂｏｄｙ－ｆｉｘｅｄ?ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ?ｆｒａｍｅ??－２１－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进状态空间模型遗传算法的分数阶PID控制器优化设计[J]. 齐战,李茂军,肖雨荷,刘芾. 控制与信息技术. 2019(06)
[2]基于自抗扰控制耦合四旋翼姿态稳定性研究[J]. 史艳霞,乔佳,薛珑. 控制工程. 2019(11)
[3]自抗扰控制方法在单级倒立摆摆角控制中的应用[J]. 郭一军. 天津理工大学学报. 2018(06)
[4]基于遗传混沌粒子群混合算法的船舶动力定位推力分配研究[J]. 李新想,王锡淮,肖健梅. 舰船科学技术. 2018(23)
[5]基于人工鱼群算法的分数阶PIλ控制器参数整定[J]. 张学典,王富彦,秦晓飞. 计算机应用研究. 2019(03)
[6]基于粒子群优化的分数阶PID滑模控制参数整定[J]. 王心,郭伟,魏妙. 测控技术. 2017(12)
[7]分数阶PID仿人智能控制算法在车辆自动驾驶系统中的应用[J]. 李文杰. 电脑与信息技术. 2017(05)
[8]基于扩张观测器的船舶动力定位系统反演滑模变结构控制[J]. 金月,俞孟蕻,袁伟,樊冀生. 舰船科学技术. 2017(03)
[9]基于线性自抗扰控制的UUV航向控制器设计[J]. 黄健,何江虹. 计算机仿真. 2015(06)
[10]线性跟踪微分器跟踪干扰信号的研究[J]. 董存会,练星,武晓辉. 纺织高校基础科学学报. 2014(04)
博士论文
[1]粒子群优化分数阶控制器及欠驱动船舶航向控制研究[D]. 李光宇.大连海事大学 2016
[2]分数阶系统的控制理论研究[D]. 梁舒.中国科学技术大学 2015
[3]应用于船舶动力定位的标准可加性模型智能控制方法研究[D]. 苏晓鹭.大连海事大学 2015
[4]船舶动力定位系统的自抗扰控制研究[D]. 雷正玲.大连海事大学 2014
[5]船舶动力定位的智能控制及推力分配研究[D]. 刘洋.大连海事大学 2013
[6]动力定位船舶非线性自适应控制研究[D]. 杨杨.大连海事大学 2013
[7]高超声速飞行器分数阶PID及自抗扰控制研究[D]. 秦昌茂.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]分数阶PID控制器的参数整定分析[D]. 齐天.河北科技大学 2019
[2]基于自抗扰控制的水面无人船跟踪控制[D]. 公冕.哈尔滨工业大学 2018
[3]船舶动力定位系统智能自抗扰控制研究[D]. 杨芳芳.大连海事大学 2018
[4]基于自抗扰控制技术的永磁同步电机调速系统[D]. 张羽.西南交通大学 2017
[5]船舶航向局部逼近神经网络复合自抗扰控制研究[D]. 李永正.大连海事大学 2017
[6]基于无人机飞行控制系统的模糊分数阶控制器的设计与仿真实现[D]. 韩瑞杰.东北大学 2017
[7]分数阶微积分算子的逼近方法及其应用[D]. 吴萌.长春理工大学 2016
[8]基于滑模变结构的船舶动力定位控制研究[D]. 邵井丰.大连海事大学 2015
[9]动力定位系统神经网络与PD混合控制研究[D]. 吴紫梦.大连海事大学 2015
[10]船舶动力定位自抗扰控制及仿真的研究[D]. 高峰.大连海事大学 2013
本文编号：3325723
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