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基于模糊滑模变结构控制的船舶航向控制的研究

作　者: 陈高阳
导　师: 高键
学　校: 江苏科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 船舶航向控制滑模变结构控制模糊滑模变结构控制 ESO滤波器
分类号: U664.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

船舶航向控制器的设计一直是船舶运动控制研究的重要课题之一,因为它不仅关系到船舶航行的安全性与经济性,而且也是航迹跟踪、动力定位和自动避碰等问题的基础。由于船舶的运动具有大惯性、大时滞、非线性等特点,航速及装载变化产生了模型的参数摄动;航行中受到风浪流的扰动等都会使船舶动态产生不确定性,因此,研究强鲁棒性的船舶航向控制器很有意义。模糊控制与滑模变结构控制都具有较强的鲁棒性,将两者相结合可以实现优势互补。基于此,本文将模糊滑模变结构控制用于船舶航向控制,并进行仿真研究。本文主要完成了以下工作:1、概述了船舶操纵理论和航向控制的特性,重点分析了三阶Abkowitz非线性操纵运动数学模型,并在Simulink环境下建立了其仿真模块。考虑了风、浪、流等干扰因素并给出了干扰模型。这些都为航向控制器的设计和仿真打下了基础。2、研究了滑模变结构控制的基本原理,结合船舶航向控制模型设计了基于等效控制的航向滑模变结构控制器,并进行了仿真。针对滑模控制抖振问题,首先分析了抖振产生的原因,再给出了一种饱和函数去抖振方法,并且进行了仿真对比。3、针对常规滑模控制抖振和鲁棒性问题,引入模糊控制技术,实时调整滑模切换控制符号函数项的大小来削弱抖振的幅度,同时结合航向控制的特点,设计了一种新型组合式航向控制器,即航向改变滑模变结构控制器和航向保持模糊滑模控制器,分别来满足航向控制快速性和稳态精度的要求。并对模糊控制查表法存在的稳态误差问题进行了改进。通过仿真证明,本文设计的控制器不仅较好的解决了常规滑模控制存在的问题,而且在动态特性、抗干扰性和鲁棒性上都优于经参数优化的PID控制器。4、分析了海浪干扰理论和其对航向控制的不利影响,阐述了扩张状态观测器的基本原理和设计方法,并设计了基于扩张状态观测器的海浪干扰滤波器。通过在不同海况下的仿真分析表明,本文设计的滤波器能较好的滤去海浪高频噪声干扰,避免了频繁操舵现象,进一步提高了船舶航向控制的品质。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题研究背景及意义  9-10
  1.2 船舶航向控制系统的研究概况  10-11
  1.3 模糊滑模变结构控制的研究概况  11-13
  1.4 本文的主要工作及内容安排  13-15
第2章船舶操纵系统概述及运动数学模型  15-25
  2.1 船舶操纵系统概述  15-16
    2.1.1 船舶操纵装置  15-16
    2.1.2 操舵方式  16
  2.2 船舶运动数学模型  16-21
    2.2.1 坐标系的选择  17
    2.2.2 Abkowitz 非线性数学模型  17-20
    2.2.3 响应型船舶运动数学模型  20
    2.2.4 舵机的数学模型  20-21
  2.3 船舶运动干扰的数学模型  21-22
  2.4 基于Simulink 的船舶模型仿真  22-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章船舶航向滑模变结构控制器仿真研究  25-41
  3.1 滑模变结构控制基本原理  25-29
    3.1.1 滑模变结构控制基本概念  25-26
    3.1.2 滑模变结构控制的基本定义  26-27
    3.1.3 滑模变结构控制系统的品质、趋近律  27-28
    3.1.4 滑模变结构控制器设计基本方法  28-29
  3.2 船舶航向滑模变结构控制器设计  29-36
    3.2.1 船舶航向控制系统  29-31
    3.2.2 船舶航向控制性能指标  31-32
    3.2.3 航向滑模变结构控制器设计  32-35
    3.2.4 仿真及分析  35-36
  3.3 抖振削弱的研究  36-40
    3.3.1 抖振产生的原因  36-37
    3.3.2 如何削弱抖振  37-38
    3.3.3 仿真及分析  38-40
  3.4 本章小结  40-41
第4章船舶航向模糊滑模变结构控制系统设计  41-64
  4.1 模糊控制  41-44
    4.1.1 模糊控制系统的组成  41-42
    4.1.2 模糊控制器设计的基本原理  42-44
  4.2 船舶航向模糊滑模变结构控制器设计  44-52
    4.2.1 改进的航向改变滑模控制器设计  45
    4.2.2 改进的航向保持模糊滑模控制器设计  45-49
    4.2.3 航向控制器整体实现  49-50
    4.2.4 仿真研究  50-52
  4.3 传统航向控制器的设计及参数优化  52-56
    4.3.1 传统PID 航向控制器的设计  52-54
    4.3.2 基于NCD 的PID 航向控制器的优化  54-56
  4.4 仿真比较与分析  56-62
    4.4.1 航向改变试验  56-57
    4.4.2 航向保持试验  57-61
    4.4.3 参数摄动时的仿真  61-62
  4.5 本章小结  62-64
第5章扩张状态观测器在海浪滤波器中的应用  64-73
  5.1 海浪干扰理论  64
  5.2 海浪干扰模型  64-66
  5.3 扩张状态观测器海浪滤波器设计  66-69
    5.3.1 扩张状态观测器基本原理  66-67
    5.3.2 ESO 海浪滤波器设计  67-69
  5.4 ESO 滤波器的仿真  69-72
  5.5 本章小结  72-73
结论  73-75
  本文总结  73-74
  工作展望  74-75
参考文献  75-79
攻读硕士期间发表的学术论文  79-80
致谢  80-81
详细摘要  81-85

基于模糊滑模变结构控制的船舶航向控制的研究

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