【摘要】：經(jīng)濟(jì)發(fā)展與海洋資源開發(fā)共同促進(jìn)了航運(yùn)業(yè)的快速繁榮,隨之而來的是航行密度增大,事故增多。此外,人們對于大噸位、高航速船舶的需求日益增多,同時(shí)如何安全、快速、高效地完成航海任務(wù),不僅是縮短航程,減少燃油消耗,還要求能以更少的船員和人力完成更多的航海操縱任務(wù)。所有的這些要求最終歸結(jié)為:人們需要一個(gè)高效、精確、自動(dòng)化程度高的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)操舵儀是船舶操縱控制的主要設(shè)備,航向控制又是其最基本最重要的功能。因此,本文以船舶航向控制作為研究重點(diǎn)。本文首先對船舶航向控制的原理和模式作了一些說明。針對船舶航行過程中面對復(fù)雜擾動(dòng),同時(shí)又由于自身航行狀態(tài)導(dǎo)致模型不確定性的問題進(jìn)行了分析研究。最終決定,采用具有非線性特性的Norrbin響應(yīng)型船舶運(yùn)動(dòng)模型作為控制對象。同時(shí)為了仿真需求,對建立的風(fēng)浪流擾動(dòng)模型進(jìn)行等效模擬。控制算法方面,首先以經(jīng)典PID方法設(shè)計(jì)航向控制器,發(fā)現(xiàn)其對非線性Norrbin模型的控制效果較差。為此,使用MATLAB提供的非線性控制系統(tǒng)優(yōu)化工具對其控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后的控制器取得了較為滿意的控制效果。然后對PID控制存在的不足之處進(jìn)行分析,對應(yīng)給出自抗擾控制技術(shù)(Active disturbance rejection controller,ADRC)的跟蹤微分器(Tracking System,TD)環(huán)節(jié)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(Extended state observer,ESO)環(huán)節(jié)和非線性狀態(tài)誤差反饋(Nonlinear state error feedback,NLSEF)等環(huán)節(jié)。并對部分環(huán)節(jié)的原理進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文主要部分為ADRC航向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)用ADRC技術(shù)設(shè)計(jì)航向控制器,控制算法以s函數(shù)編寫,封裝為SIMULINK模塊以供控制系統(tǒng)調(diào)用,控制系統(tǒng)模型也用SIMULINK仿真工具搭建。對ADRC中ESO和NLSEF環(huán)節(jié)的非線性反饋增益系數(shù)進(jìn)行遺傳算法整定,大大簡化了人工整定的難度。控制器設(shè)計(jì)完成后,對設(shè)計(jì)的優(yōu)化PID控制器和ADRC控制器進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明,基于ADRC的船舶航向控制系統(tǒng)在擾動(dòng)抑制方面具有較大優(yōu)勢,同時(shí)ADRC船舶航向控制器舵角響應(yīng)幅值較小,操舵平緩,航向無超調(diào),控制性能較為優(yōu)越。對兩種控制器參數(shù)攝動(dòng)時(shí)的控制效果進(jìn)行仿真,結(jié)果也表明ADRC控制具備更好的魯棒性
【圖文】：

圖 1.1 DC-Ⅲ系列數(shù)字自動(dòng)操舵儀（2）NautoPilot5000 系列自動(dòng)操舵儀是 Ansuchz 公司最新開發(fā)出來的產(chǎn)品，主要針對 100m 及以上的船舶設(shè)計(jì)。NP5000 提供了航向控制、航線控制和航跡控制。其中，區(qū)別于傳統(tǒng)的航向控制，Ansuchz 提出了航線控制，指的是在設(shè)定航向的情況下，由于二階波浪力以及海風(fēng)、海流的存在，船舶會(huì)固有的發(fā)生橫向偏蕩。而航線控制通過提供一個(gè)與偏蕩方向相反的適當(dāng)舵角，控制船舶的實(shí)際航行線路在一條直線上，，從而縮短航行路程，降低燃油損耗。同時(shí)，這種操舵方式對需要精確控制的特種作業(yè)船具有很大價(jià)值。航向控制與航線控制的對比示意見圖 1.2。

圖 1.1 DC-Ⅲ系列數(shù)字自動(dòng)操舵儀toPilot5000 系列自動(dòng)操舵儀是 Ansuchz 公司最新開發(fā)出上的船舶設(shè)計(jì)。NP5000 提供了航向控制、航線控制和航向控制，Ansuchz 提出了航線控制，指的是在設(shè)定航向海風(fēng)、海流的存在，船舶會(huì)固有的發(fā)生橫向偏蕩。而航相反的適當(dāng)舵角，控制船舶的實(shí)際航行線路在一條直線油損耗。同時(shí)，這種操舵方式對需要精確控制的特種作航線控制的對比示意見圖 1.2。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U666.153

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2696098