本文選題：航跡控制　切入點(diǎn)：制導(dǎo)算法　出處：《吉林大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：自動(dòng)操舵儀是船舶重要的控制設(shè)備，具有航向控制和航跡控制兩種自動(dòng)控制模式。隨著控制理論的日益完善和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)自動(dòng)操舵儀有了更高的要求，亟需研究出更為節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、安全的航跡控制算法。本文順應(yīng)船舶運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展潮流，從提高船舶航行穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，以控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、操舵次數(shù)少的控制性能為研究目標(biāo)，結(jié)合新型制導(dǎo)算法和最優(yōu)航向控制算法設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的航跡控制算法，為提高國(guó)內(nèi)航跡控制水平貢獻(xiàn)一份力量。 首先，研究船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建模方法。為了更真實(shí)可靠地獲取航跡控制算法的測(cè)試數(shù)據(jù)，本文參考IEC62065的船舶模型結(jié)構(gòu)，分別研究了船舶的推進(jìn)裝置、舵機(jī)裝置、縱移運(yùn)動(dòng)、橫移運(yùn)動(dòng)和艏搖轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)學(xué)建模方法，并且通過分析船舶航行中的環(huán)境干擾因素，建立了海浪和海流的數(shù)學(xué)模型。本文還提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的船位推算方法，能夠準(zhǔn)確地模擬出船舶的位置變化情況。通過分析船舶回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的仿真結(jié)果得出：本文的船舶建模方法具有較高的仿真精度，能夠用于船舶航跡控制算法的仿真研究。 其次，研究船舶航跡制導(dǎo)算法。本文的制導(dǎo)算法主要包括航跡計(jì)算、直航制導(dǎo)和曲線制導(dǎo)。關(guān)于航跡計(jì)算，研究了船舶航行偏差的計(jì)算方法，并提出了一種新型實(shí)用的計(jì)算大圓航法航行偏差的方法。關(guān)于直航制導(dǎo)，本文基于雙曲正切函數(shù)的平滑漸近特性，提出了一種新型的雙曲制導(dǎo)方法，能夠提高船舶直航跟蹤速率，避免位置超調(diào)。關(guān)于曲線制導(dǎo)，本文基于李雅普諾夫穩(wěn)定性函數(shù)，提出了一種逆向分步的計(jì)算方法，計(jì)算出能夠使系統(tǒng)全局漸進(jìn)穩(wěn)定的指令轉(zhuǎn)向速率，并給出了針對(duì)海流干擾的修正公式。 再次，研究船舶航向控制算法。本文將反饋線性化算法和最優(yōu)控制算法結(jié)合，創(chuàng)新性地提出了針對(duì)非線性船舶模型的反饋線性化最優(yōu)航向控制算法。該算法不僅具有船舶艏向控制功能，還能夠完成船舶轉(zhuǎn)向速率控制，是一種綜合型的航向控制算法，能夠有效地降低程序的空間復(fù)雜度。為了解決海浪干擾造成的頻繁操舵問題，本文針對(duì)非線性船舶模型和海浪干擾模型，，設(shè)計(jì)出一類擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器，并給出反饋增益矩陣的計(jì)算公式。經(jīng)過對(duì)多種類型船舶的試驗(yàn)結(jié)果得出，本文的航向控制算法具有抗干擾能力強(qiáng)、操舵次數(shù)少和操舵幅度小的優(yōu)點(diǎn)。 最后，研究并設(shè)計(jì)船舶運(yùn)動(dòng)控制仿真系統(tǒng)。本文從提高仿真效率的角度出發(fā)，基于Matlab和VC++的混合編程技術(shù)，仿照真實(shí)的船舶控制環(huán)境，設(shè)計(jì)出一種單機(jī)非實(shí)時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)控制仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由航跡控制器、舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、舵機(jī)反饋機(jī)構(gòu)、船舶運(yùn)動(dòng)模擬器和電子海圖組成。系統(tǒng)仿真時(shí)間大約為真實(shí)時(shí)間的0.01倍，能夠有效地提高仿真效率，且界面友好、操作簡(jiǎn)單的電子海圖模塊為仿真測(cè)試提供了可視化的信息顯示，能夠在線快速地分析航跡控制算法的性能。 應(yīng)用船舶運(yùn)動(dòng)控制仿真系統(tǒng)對(duì)不同測(cè)試場(chǎng)景下的航跡控制算法的性能進(jìn)行仿真測(cè)試，得出：本文的航跡控制算法具有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、操舵次數(shù)少的控制性能，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
[Abstract]:Autopilot is an important equipment of ship control, course control and track control two automatic control mode. With the development of control theory and improvement of science and technology, people have higher requirements on autopilot, need to study more energy saving, economy and safety. This paper track control algorithm conform to the trend of development of ship motion control, from improving ship stability, safety and economic point of view, with high control precision, strong anti-interference ability, less steering control performance as the research object, combined with the new type of guidance algorithm and optimal control algorithm design course tracking control algorithm of a kind of economical and practical. In order to improve the control level of domestic track contribution to a force.
First, study on modeling methods of ship motion mathematical model. In order to obtain more reliable tracking control algorithm of ship model test data, based on the IEC62065 structure, respectively study the propulsion device, the ship's steering gear device, longitudinal motion, lateral motion and yaw mathematical modeling method of the rotation, and through the analysis of ship interference environment the voyage factors, establishes a mathematical model of wave and current. This paper also puts forward a simple and practical method for calculating the position, can accurately simulate the position changes of the ship. By the simulation analysis of ship turning test results show that the simulation accuracy of ship modeling method in this paper is high, can be used for simulation research the ship track control algorithm.
Secondly, the ship trajectory guidance algorithm. The algorithm mainly includes guidance path calculation, direct guidance and guidance. On the track curve calculation, studies the calculation methods of ship navigation deviation, and puts forward the method to calculate the great circle a new practical navigation deviation. A direct guidance, the smooth asymptotic properties of hyperbolic tangent function based on, we put forward a new hyperbolic guidance method can improve the ship direct tracking rate, avoid position overshoot. The Li Yapu curve on the guidance, based on Lyapunov function, presents a reverse stepwise calculation method, calculated to make the system globally asymptotically stable instruction steering rate, and gives the correction formula of current disturbance.
Again, research on Algorithm of ship heading control. The feedback algorithm and optimal control algorithm of linear combination, put forward the innovation of the feedback linearization optimal control algorithm for nonlinear ship course model. The algorithm not only has the ship heading control function, can also complete the ship turning rate control algorithm is a comprehensive course control, can effectively reduce the complexity of the program space. In order to solve the problems caused by frequent steering wave interference, the nonlinear ship model and wave interference model, designed the extended state observer for a class, and gives the calculation formula of the feedback gain matrix. Through the test of various types of ships the course control algorithm in this paper has strong anti-interference ability, low frequency and small amplitude of steering steering advantages.
Finally, the research and design of ship motion control simulation system. This paper from the perspective of how to improve the efficiency of simulation, the mixed programming technology of Matlab and VC++ based ship modeled on real control environment, designs the non real-time simulation system for ship motion control of a single machine. The system is mainly composed of a track controller, servo actuator, servo feedback mechanism, ship motion simulator and electronic chart system simulation. The time is about 0.01 times of real time, can effectively improve the efficiency of simulation, and friendly interface, simple operation of the electronic chart module provides visual information for the simulation test shows, can quickly analyze the performance of online tracking control algorithm.
The ship motion control simulation system is applied to simulate the performance of the track control algorithm under different test scenarios. It is concluded that the track control algorithm in this paper has high control accuracy, strong anti-interference ability and few steering times, and achieves the desired goal.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U675.7;TP301.6

【共引文獻(xiàn)】

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6 劉楊;郭晨;沈智鵬;劉雨;郭迪;;欠驅(qū)動(dòng)船舶路徑跟蹤的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定自適應(yīng)控制[A];2009年中國(guó)智能自動(dòng)化會(huì)議論文集（第八分冊(cè)）[控制理論與應(yīng)用（專刊）][C];2009年

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7 王金朋;船舶航向反步自適應(yīng)控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

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本文編號(hào)：1658019