基于ADRC的水面船舶动力定位控制技术及仿真研究

论文摘要

水面船舶运动具有非线性,时变行,强耦合性,同时存在未知干扰,负载条件的变化,海洋环境(浪,流,潮)的变化,数学模型难以精确得到等特点,导致了水面船舶控制具有较强的复杂性。水面船舶作为海洋研究和开发的重要载体,其相关技术一直是当今研究的热门领域。水面船舶控制技术作为关键技术之一,在一定程度上标志着水面船舶是否能够按照预定位置航行或停泊,其性能的好坏将直接影响船舶的整体性能及应用范围。因此,展开具有良好控制性能,同时又具有较强实用性的船舶动力定位控制方法,具有重要的理论意义和实际意义。论文的研究成果还可以应用于其他类似海洋工程类设备的控制问题,如打捞救生船、采矿船、钻井平台、海底管道和电缆铺设的工作船等。自抗扰控制技术是近年来发展的一种控制理论,是在非线性PID基础上针对强干扰和不确定系统提出的一种新型控制技术,具有很强的鲁棒性,适应性,具有强大的非线性处理能力和工程实用性。论文的目的定位于自抗扰控制技术在水面船舶动力定位中的应用,通过开展水面船舶动力定位自抗扰控制技术的研究,来解决非线性,时变性,模型不确定性以及海洋环境变化,未知随机干扰等条件下的水面船舶动力定位控制问题。建立模型方面,对船舶的高频、低频以及扰动模型进行建立,用MATLAB对各种模型及自抗扰控制进行仿真,对船舶的艏向角进行控制,得出实验的结果,输出船舶的位置和艏向角。论文的创新之处在于,提出了水面船舶动力定位自抗扰控制方法,用于解决非线性,时变性,模糊不确定性以及未知干扰等条件下的水面船舶控制问题,以解决目前控制理论与工程应用相脱离的矛盾。通过最后的仿真研究,证明了所提出的论点的正确性。论文提出了水面船舶动力定位自抗扰控制方法充分考虑了非线性,数学模型时变性等水面船舶的运动特点,将水面船舶的不确定动态模型和海洋环境变化等统一归结为对系统的“总扰动”,通过估计并给予补偿,这样,系统控制就不需要建立精确的数学模型,并能够得到良好的控制性能。针对较广泛的一大类不确定系统的控制问题,尤其是存在强干扰的情况下,自抗扰控制技术被证明具有很强的实用性和强鲁棒性,而且变现出诸多的优点：如无超调,能够实现无静差等,适合于非线性,时变,强耦合等条件下的系统控制,不依赖于模型,对不确定模型以及未知干扰具有较强的不敏感性,此外,更为重要的一点是其具有较强的工程性,这些优点非常适合于深海或浅海条件下的水下机器人的控制要求,因此,将自抗扰控制理论应用于水面控制从理论上是可行的。通过船舶及各种未知干扰进行模型的建立,然后利用MATLAB进行仿真,得出的仿真结果证明,这种设计控制方法在实际应用中也是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 船舶动力定位系统的研究现状与发展
• 1.2.1 船舶动力定位系统控制器的发展
• 1.2.2 智能控制的发展
• 1.2.3 PID控制方法
• 1.2.4 模糊控制
• 1.2.5 神经网络控制方法
• 1.2.6 其他的控制方法
• 1.3 自抗扰控制方法的国内外研究现状
• 1.4 论文的内容
• 2 船舶动力定位系统的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 推进器系统模型
• 2.3 船舶模型
• 2.3.1 船舶低频模型
• 2.3.2 船舶的高频模型
• 2.3.3 环境数学模型
• 2.4 控制器
• 2.5 本章小节
• 3 自抗扰控制系统理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 自抗扰控制器的特点
• 3.3 自抗扰控制（ADRC）的基本算法
• 3.3.1 非线性跟踪微分器TD
• 3.3.2 扩张状态观测器ESO
• 3.3.3 非线性状态误差反馈控制NLSEF
• 3.4 自抗扰控制的结构及整体算法
• 3.5 本章小节
• 4 水面船舶动力定位自抗扰控制技术的研究
• 4.1 引言
• 4.2 水面船舶动力定位自抗扰控制器ADRC的控制算法
• 4.2.1 系统总体框图
• 4.2.2 自抗扰控制器对水面船舶的控制
• 4.3 水面船舶自抗扰控制的参数整定
• 4.3.1 系统的时间尺度
• 4.3.2 自抗扰控制器的参数整定
• 4.4 本章小节
• 5 水面船舶动力定位自抗扰控制技术的仿真及分析
• 5.1 引言
• 5.2 基于自抗扰控制ADRC的仿真模型
• 5.3 自抗扰控制水面船舶动力定位系统控制器参数设计
• 5.4 仿真结果及分析
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在读期间发表论文