高海情下船舶航向神经网络控制研究

论文摘要

在高于设计海情时,无法通过实船试验来检验船舶航向控制系统的运行工况,以及航向控制效果,本文着重分析了船舶航向系统所存在的间隙、饱和、死区等非线性特性。通过仿真复现了现有PID控制系统在高海情时的运行工况,结果表明在高海情下现有控制系统的航向控制效果不能满足要求。针对高海情下船舶航向系统非线性特性,设计了先进的神经网络控制器来改善高海情下船舶航向控制效果。首先,对船舶航向控制系统建模。基于动量定理、动量矩定理建立了艏摇、横荡、横摇三个自由度的船舶运动方程,并分析了船体所受外力(及力矩),包括船体水动力、舵上所受的流体动力及海浪的干扰的计算模型。其次,建立舵机液压伺服系统的非线性数学模型。分析舵机液压伺服系统的基本组成结构,并对各组成部分进行建模。针对实际运行工况分析此系统存在的非线性因素。然后,对现有船舶航向控制系统进行仿真。对多种海情、不同遭遇角下的航行过程进行仿真,给出航向角、舵角的曲线以及统计值。仿真结果表明在高于设计海情下,现有控制器控制的舵角不断达到饱和,实质上在这个过程中系统是处于失控(开环)状态,所以无法满足船舶航向控制精度的要求。最后,设计船舶航向神经网络控制系统并进行仿真。针对高海情下船舶航向系统非线性特性,设计了神经网络控制器,该过程主要包括确定神经网络控制器结构、设定初值,设计神经网络训练算法等。给出了所设计的航向控制系统的仿真曲线,并与现有控制系统进行比较,仿真结果表明在高于设计海情下,神经网络控制器在航向控制精度和解决舵角饱和问题上均有显著改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外航向控制研究概况和发展趋势
• 1.3 自动舵液压伺服系统概述
• 1.4 神经网络控制的发展现状
• 1.5 本课题的主要工作
• 第2章 船舶航向运动数学建模
• 2.1 船舶运动学分析
• 2.1.1 坐标系及其变换
• 2.1.2 船舶运动方程式
• 2.2 船体动力学分析
• 2.2.1 船体水动力
• 2.2.2 舵的升力及力矩
• 2.2.3 船舶运动模型及参数的计算
• 2.3 随机海浪的数字仿真
• 2.3.1 海浪的统计特性与谱分析
• 2.3.2 随机海浪波高的数字仿真
• 2.3.3 海浪对船舶的干扰力及干扰力矩仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 自动舵液压伺服系统非线性建模
• 3.1 自动舵液压伺服系统结构
• 3.2 自动舵液压伺服系统各环节分析
• 3.2.1 伺服箱分析
• 3.2.2 泵控装置分析
• 3.2.3 转舵机构分析
• 3.3 自动舵液压伺服系统工作过程分析
• 3.4 自动舵液压伺服系统非线性因素分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶航向控制系统仿真
• 4.1 高海情下船舶航向控制系统非线性运行工况分析
• 4.2 高海情下船舶航向控制系统模型的建立
• 4.3 系统仿真
• 4.4 系统仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 高海情下船舶航向神经网络控制研究
• 5.1 人工神经网络的基本理论
• 5.1.1 人工神经元模型
• 5.1.2 人工神经网络的结构和工作方式
• 5.1.3 BP网络
• 5.2 神经网络稳定性分析
• 5.3 高海情下船舶航向神经网络PID控制研究
• 5.3.1 高海情下神经网络PID控制器问题的提出
• 5.3.2 神经网络PID控制器设计
• 5.4 神经网络PID船舶航向控制系统结构图
• 5.5 系统仿真
• 5.6 系统仿真分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢