基于非线性修饰和零阶保持器的船舶航向保持控制

[目的]为了解决船舶在海上航行时控制器舵角输出大、打舵频率高、控制速度较慢以及控制精度较低的问题,利用三阶闭环增益成形算法设计鲁棒控制器。[方法]首先,利用三阶闭环增益成形算法设计出线性鲁棒控制器,然后,在控制策略中加入双曲正切非线性修饰以及零阶保持器,在不同海况下对该控制器的性能进行仿真实验。[结果]仿真结果表明,相比于基于非线性修饰的传统PID控制器,在一般海况下,所提控制器在延迟时间、控制精度以及能量输出上分别改进了36%,14%和32%;在恶劣海况下,分别改进了27%,7%和16%。此外,不同海况下该控制器的仿真结果都具有稳定的舵角输出,并可以较快地稳定在临界值附近,证明了其具有较好的鲁棒性。[结论]改进的控制器符合工程实践,对于智能船舶的控制具有较好的应用参考价值。

一种基于双重非线性正反馈的节能降碳航向保持控制方法

[目的]为了解决船舶航向保持过程中舵角幅值过大以及舵角变换率过高而导致能耗过大的问题,提出一种基于双重非线性正反馈的节能降碳航向保持控制方法。[方法]采用闭环增益成形算法(CGSA)设计控制器,引入双重非线性反馈算法,通过双极性S函数与反正切函数的结合降低舵角幅值与操舵频率,最后使用正反馈的方法实现整个控制系统的控制。[结果]仿真结果表明,在6级海况和8级海况下,采用所提出的双重非线性反馈控制方法,反映舵机能耗的综合节能评价指标分别改进了31.53%和18.63%。[结论]验证了双重非线性反馈在降低舵机能耗、减少船舶航行过程中碳排放方面具有较好效果,以及正反馈和负反馈的等价控制效果。所提方法为船舶航向保持控制的研究提供了较好的应用参考价值。

混合遗传算法下欠驱动船舶航向保持控制方法

欠驱动船舶容易受到风、浪、洋流等外部环境因素的影响,导致航向偏离、船体摇晃,航行安全风险增加,为提高其在各种海况下的稳定性和安全性,提出混合遗传算法下欠驱动船舶航向保持控制方法。构建欠驱动船舶数学模型描述其动态行为,设计包含跟踪微分器和分数阶滑膜控制器的航行保持控制器,生成期望航向的平滑过渡过程,为后者提供航向角速度和角加速度信号。以航向误差作为其输入控制量,通过设计的分数阶滑膜面和控制律实现期望航向追踪,采用混合遗传算法优化控制器参数,提高航向跟踪效果。实验结果表明:该方法可实现不同海况下船舶航向保持控制,控制效率高、航向控制超调量小。

基于分数阶滑模的船舶航向保持控制

针对欠驱动船舶航行过程中受到内外部不确定因素的干扰,导致船舶不能准确跟踪至期望航向问题,结合分数阶理论和传统滑模理论的优点和可行性,对传统滑模的滑模面和趋近律进行改进。利用分数阶微积分算子代替整数阶微积分算子,构造出分数阶滑模面和分数阶趋近律,进而设计出基于分数阶滑模的船舶航向保持控制器。通过选取合适的分数阶阶次使船舶航向控制系统更具灵活性。通过MATLAB仿真进行控制器效果验证。仿真结果表明,基于分数阶滑模的船舶航向保持控制器能够在无干扰、有干扰两种情况下实现对船舶航向的快速、准确跟踪,具有良好的控制效果。

恶劣海况下船舶航向保持控制的新方法

提出一种采用基本滤波器和辅助滤波器进行船舶航向保持控制的新方法 .计算机仿真结果表明 ,在恶劣海况下 。

基于IDCS能量优化的船舶舵/翼舵航向保持控制

船舶舵/翼舵能够有效提高翼面的升力系数,减小系统能耗,但操控面的增多会带来角度分配问题。根据航向控制机理,通过航向检测装置检测到的航向角,计算出系统的艏摇扶正力矩,并建立舵/翼舵角度优化分配规则,在系统驱动能量损耗指标下,提出了一种改进的动态布谷鸟搜索(IDCS)算法,提高了系统寻优过程的全局探测及局部搜索能力,实现舵角/翼舵角度的智能优化分配。仿真结果表明:舵/翼舵能够避免了单体舵出现的舵速饱和现象,提高了航向控制效果并有效降低系统能耗;同时相较于遗传算法(GA)和布谷鸟搜索(CS)算法,基于IDCS算法的舵角/翼舵角分配策略也能够取得更小的能耗指标,从而证明了所提出的算法有效性和工程应用价值。

船舶航向保持控制研究综述

【目的】综述船舶航向保持控制近3年的发展,以期找到航向保持控制必须攻克的难题,探讨船舶航向保持控制未来的发展趋势。【方法】梳理分析近3年国内外航向保持控制的文献,介绍航向保持控制常用模型,包括Nomoto模型、Norribin模型、MMG模型和Fossen模型,对不同文献所使用的模型进行分类和总结。介绍航向保持控制的控制算法,分析各个算法之间的优缺点。由于船舶航向保持控制容易受到外界干扰和系统内部不确定的影响,阐述常见的RBF神经网络与线性扩张状态观测器处理扰动方式。【结果与结论】总结出船舶航向保持控制必须攻克的3个科学难题,并对航向保持控制的发展提出展望。

基于ARX模型的船舶航向保持LQR控制

本文以船舶为被控对象,采用具有仿射结构的ARX模型描述船舶航向保持控制过程,分别采用最小二乘法和比较AICc值来辨识模型参数和阶次,通过比较4组ARX模型的一步预测和长期预测结果选择最佳模型。在最佳ARX模型基础上,设计了航向保持LQR控制,仿真结果显示,在有无海浪信号扰动下,LQR控制均能很好地实现航向保持,证明了基于ARX模型的船舶航向保持LQR控制方法的有效性。

基于自组织广义椭球基函数模糊系统的船舶航向保持控制

为能够以较小计算量实现船舶航向的精确控制,针对船舶航向保持控制设计一种基于自组织广义椭球基函数模糊系统(SO-GEBF-FS)的航向保持控制器.分析非线性船舶航向运动模型,介绍SO-GEBF-FS的结构及组成,并设计一种有效的规则生长修剪算法.采用DSC设计方法设计控制器,利用SO-GEBF-FS逼近其中不确定性,通过Lyapunov稳定性理论证明闭环系统稳定性.将所设计控制器应用于船舶航向运动数学模型,结果验证了该控制器的有效性和优越性.

船舶航向自动保持控制及设计

针对非线性船舶航向控制系统,将Line of Sight(LOS)引导律与滑模控制算法相结合,设计一种航向保持滑模控制算法,通过设计合理的李雅普诺夫函数及利用其稳定性理论对系统的稳定性进行了分析,并利用"育龙"轮运动数学模型进行计算机模拟仿真,验证设计思想的可行性和控制算法的合理性及有效性。仿真结果表明,控制算法可以保证航向控制系统的渐近收敛及稳定,根据该控制算法所设计的控制器,能够使船舶航向精确的保持在预定航向上,具有优良的控制效果。

基于LPV模型的水面机器人鲁棒航向控制

针对水面机器人水动力学的强非线性,且容易受到风、浪与水流干扰的影响,提出了一种基于LPV(Linear Parameter Varying)模型的H_∞鲁棒航向保持控制器。LPV模型采用Froude数作为线性变参,用来反映水面机器人水动力学随Froude数变化的非线性特性,同时简化模型参数辨识与控制器设计。将Froude数作为调度变量,采用介实引理设计了H_∞鲁棒航向保持控制器,用来抑制扰动对控制器的影响。在三自由度欠驱动水面机器人仿真平台上进行了验证,证明了控制器的有效性与鲁棒性。

具有横倾抑制功能的船舶PID微分补偿航向控制

为改善船舶航向自动舵性能和减小船舶转向时的横倾幅度,提出一种基于模糊逻辑控制和滑模PID微分补偿的船舶航向保持控制策略。分析PID控制的积分超调问题和船舶转向时的横倾特点。对PID控制进行滑模变形,并引入微分项对PID控制的积分项进行补偿以消除积分超调。以横倾角和横倾角速度为输入设计模糊控制规则,对滑模PID微分补偿控制器参数进行调节以减小转向时横倾角。以集装箱船“MV KOTA SEGAR”MMG模型为控制对象进行MATLAB仿真。仿真结果表明:该控制器能够减小船舶转向时的横倾幅度,最大横倾抑制率可达71%;解决了PID控制的积分超调问题,具有参数易调节等特点。

基于RBF-ARX模型的双体无人船航向控制

为了提高双体船的机动性能,设计了一种等效舵方案。在此基础上,针对船舶机理建模方法较为复杂及运动过程中存在的非线性问题,利用RBF-ARX模型来描述舵角与航向角之间的关系,建立以RBF-ARX模型为基础的无人船模型,与ARX模型在一步预测和长期预测方面进行比较,根据结果选择较优模型。以较优模型为基础,设计LQR航向控制器。实验结果表明,在有无风扰动的情况下,基于RBF-ARX模型的LQR方法均能实现航向保持控制,验证了双体船RBF-ARX模型LQR航向保持控制方法的有效性和可行性。

大型油轮艏摇混沌现象的仿真与滑模控制

为了合理解释并控制大型油轮操纵过程中出现的船首异常摆动现象,采用驾驶员模型替代原有的比例模型,结合非线性响应型数学模型,建立了驾驶员操纵大型油轮的闭环系统数学方程,发现其与Duffing方程形似,且在一定的参数配置下系统的Lyapunov指数为正,说明可以用混沌理论解释船首异常摆动的现象.为实现航向保持的稳定控制并增强对参数不确定的鲁棒性,基于反步法提出了与模型对应的滑模控制率.仿真结果表明,当混沌艏摇处于理论最大值时,受控系统的稳态舵角仍小于5°,航向偏差小于0.07°,所设计的控制器很好地消除了混沌现象.建立人在回路中的混沌系统的思路较为新颖,借助滑模解决反步法参数不确定的方法简单而有效.

船舶自动舵控制技术的发展

介绍了船舶自动舵的控制方法,结合当前航海科学技术的发展,提出了船舶自动舵系统的功能集约化、远程网络化、装备内河化、无人驾驶化的发展趋势及其应用需要注意的问题。

船舶自动舵研究综述

介绍了国内外对船舶自动舵航向保持控制、航迹保持控制及其他功能方面的研究成果,将船舶自动舵研究与IMO的"益航海"战略实施计划结合起来,提出了船舶自动舵研究的算法先进化、功能综合化、实现网络化、使用简单化和装备国产化的发展趋势。

控制方向未知条件下不确定船舶航向鲁棒λ调节控制

为了改善模型中控制方向未知和受外界环境干扰的船舶航向保持控制问题,将Nussbaum增益技术引入到Backstepping方法中,得到一种可人为指定稳态控制的新型鲁棒λ调节控制方法.考虑到一般系统中Nussbaum积分乘性函数为时变函数,通过利用Nussbaum函数不变性构建新的积分形式,充分利用船舶模型内部结构特征,提高该算法理论证明的严谨性.所提出的算法能够解决船舶航向保持控制中控制方向未知条件下指定稳态性能控制问题.最后,通过仿真实验验证了所得出的上述控制方法的可行性.

带有执行器的船舶航向控制反馈线性化设计

针对带有执行机构的船舶航向保持控制系统,采用输入 状态反馈线性化方法设计控制器.由于船舶航向保持控制系统数学模型满足"三角形系统"的形式,可以直接得到反馈线性化的充分必要条件,可以避免反馈线性化理论中复杂对合条件的验证.基于该控制器,可以使得偏航船舶以指数渐进镇定于设定航向.并以大连海事大学远洋实习船"育龙"号为例,利用Matlab的Simulink工具箱进行了仿真研究,对所提出的控制器进行了验证.

船舶自动舵的研究

给出了用适应式ＰＩＤ及Ｈ∞鲁棒控制算法实现的船舶自动舵的研究结果；自动舵具有保持航向和航迹功能；适应式ＰＩＤ算法是根据船舶航行时的天气、海况、负载及航偏角大小改变ＰＩＤ比例、积分、微分系数以适应船舶航行需求；Ｈ∞鲁棒控制算法是藉助ＭＡＴＬＡＢ软件包的鲁棒控制工具箱，应用Ｈ∞控制理论的Ｓ／Ｔ／ＫＳ混合灵敏度问题设计船舶航向保持控制器；航迹算法采用自动航行方式以使船舶始终航行在计划航线的允许偏差带内；整个系统的程序用Ｃ语言实现，在多种环境条件下进行了仿真研究。