基于双重非线性修饰的无人船航向保持自抗扰控制

为研究无人船的航向保持控制问题,设计节能稳定、鲁棒性强的船舶航向保持控制器。以“育鲲”轮船模为研究对象,根据其相关参数建立船舶Nomoto模型并进行线性自抗扰控制器设计。为了践行低碳航行理念,减少无人船实际航行过程中的能耗,引入双重非线性修饰环节,使用MATLAB的Simulink工具箱进行仿真研究。仿真结果证明:根据船舶Nomoto模型和相关参数建立的线性自抗扰控制环节参数整定简单,使用船舶线性及非线性模型进行仿真试验可验证其具有较好的稳定性和鲁棒性。基于现有研究,引入双重非线性修饰环节,使用非线性函数对控制器的输出信号进行非线性化处理,使系统在使用更低能量输入时可得到更好的控制效果,实现无人船航行过程中的节能目标。使用文章所提控制方法可很好地实现无人船航向保持控制,降低船舶航行过程的能耗,具有一定的工程实用意义。

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。

考虑舵机故障的船舶鲁棒自适应航向保持控制

[目的]针对舵机故障、控制增益未知和海洋环境干扰情况下的欠驱动船舶航向保持问题,设计一种考虑舵机故障的船舶鲁棒自适应航向保持控制算法。[方法]通过结合鲁棒神经阻尼技术和自适应方法,对繁重的神经网络权值进行横向压缩,仅需设计2个自适应学习参数对未知增益和舵机故障参数在线补偿,以确保船舶在舵机故障的情况下能够有效执行航向保持任务。通过李雅普诺夫理论,证明所提出的控制器半全局最终一致稳定有界(semi-global uniform and ultimately bounded,SGUUB)。最后以“育鲲”轮为仿真对象,建立非线性Nomoto数学模型,在海洋干扰下进行对比仿真试验验证。[结果]结果表明,在此策略下,“育鲲”轮在舵机故障情况下平均舵角输出比仿真试验中所对比的传统方法降低了51%,可改善航向保持控制效果。[结论]研究结果可为欠驱动船舶的航向保持控制问题提供借鉴。

船舶航向不对称信息理论与非线性逆推鲁棒控制算法

应用不对称信息理论和鲁棒控制算法简化非线性逆推算法,针对非线性船舶航向保持系统,设计了其Backstepping逆推控制器,由非线性函数项和常规线性控制器组成,将简化的Back-stepping法与闭环增益成形算法相结合,设计其非线性鲁棒控制器。通过非线性鲁棒控制器的控制能够使船舶无超调、无静差地跟踪设定航向,调节时间为600 s,符合船舶航行的实际情况,控制效果良好;当系统增加干扰后,系统的控制输出除了因干扰产生的抖动外,其跟踪性能仍然较好,航向输出无静差,说明控制器具有一定的鲁棒性;是否全部对消非线性项,对其控制效果相差不大,说明当模型发生参数摄动时,系统的控制性能仍能保证。

迭代滑模增量反馈及在船舶航向控制中的应用

针对一类不确定非线性受扰动系统,提出一种基于非线性迭代滑模变结构的增量反馈控制算法.通过对系统输出迭代设计非线性滑动模态,并利用增量反馈控制,无需对不确定项的估计,在系统输入增益符号已知的条件下可自动寻找使系统稳定的控制量,避免了变结构控制的抖振以及输出反馈控制的稳态误差与超调问题,强化了变结构控制的不变性特点.对不同船型及舵机模型的船舶航向控制进行了仿真,结果表明,系统阶跃响应超调得到有效抑制,定常干扰下的静态误差得到消除,且控制器对模型摄动及干扰变化不敏感、设计参数易于调节.

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。

基于鲁棒模糊控制的船舶转向及航向保持

为更好的满足船舶转向和航向保持对自动舵系统的不同要求,首先基于一阶闭环增益成形算法对船舶转向过程分三段进行控制器设计,在自适应模糊推理系统(ANFIS)离线模型辨识正确的前提下得到每个控制器的模糊隶属度函数,然后对三个控制器的输出进行T-S模糊综合。以实习船"育龙"轮的非线性响应模型为控制对象,考虑不同的干扰和模型摄动情况后进行了仿真试验。仿真结果显示该控制器具有超调小、响应快的动静态特性,并在干扰和模型摄动下表现出较好的鲁棒稳定性和鲁棒性。

船舶航向保持变论域模糊–最小二乘支持向量机复合控制

针对船舶航向运动具有强非线性,并受各种不确定随机干扰的作用,提出了基于最小二乘支持向量机与变论域模糊逻辑的船舶航向保持复合控制方案,该控制方案利用最小二乘支持向量机良好的非线性映射能力建立船舶操纵系统的逆动力学模型,引入协调控制因子,与变论域模糊控制复合形成控制闭环,提高控制系统的控制精度和鲁棒性.仿真结果表明,本文所设计的航向保持控制系统效果良好,对海情的变化具有较好的自适应能力.

基于GA和H_∞混合优化的船舶航向控制器设计新方法

提出一种ＧＡ和Ｈ∞混合优化的般舶航向控制器设计新方法。该方法采用Ｈ∞环路成形技术设计船舶航向控制器，成形权函数采用遗传算法进行优化，从而避免了凭经验试凑权函数的盲目性，使控制器的设计系统化，且简单易行。

考虑暂态/稳态性能的船舶航向保持控制

为进一步解决模型存在不确定性和外界环境干扰的船舶航向保持指定性能控制问题,在Backstepping方法基础上,引入指定性能函数和系统变换,提出一种适用于一般非线性系统的鲁棒自适应控制策略。考虑到系统初始状态不确定问题,将指定性能函数设计与系统初始跟踪误差关联,充分利用船舶模型内部结构特征,避免了现有研究中针对不同初始跟踪误差和符号需要重新设计控制器的缺陷。该算法解决了船舶航向保持控制中暂态过程对超调量和收敛速率等控制性能的指定问题,理论分析和仿真实例验证了所提出控制策略的有效性。

欠驱动水面模型船航向保持控制仿真平台

考虑到计算机仿真、半实物仿真及实船研究的不足,提出基于欠驱动水面模型船的航向保持控制仿真平台。该平台由模型船、航向与航速感知系统、航向保持控制器及远程控制与监测系统等4部分组成。介绍航向控制仿真平台各部分的组成和相互关系,研究模型船航向与航速感知系统的实现方法,分析航向保持控制器的工作原理,提出Nomoto响应模型的参数辨识方法及基于PID的航向保持控制和航速保持方法。在实验室环境下对仿真平台进行测试,并分析模型参数辨识和航向保持结果,试验结果表明平台能满足航向保持控制研究需求。

考虑通信时延的船舶航向保持鲁棒自适应控制

为了进一步研究船舶航向保持远程控制,本文提出一种鲁棒自适应神经网络控制方案以解决网络诱导时延对系统稳定性和性能的不良影响。与传统Backstepping方法不同,该方案将系统不同阶子系统中的不确定部分纵向传递至第n个子系统,并利用径向基函数神经网络进行在线逼近,达到对系统中模型不确定部分的有效补偿,从而解决远程控制系统中不确定时延问题。通过实际测试分析海事卫星通信网络时延特性,以"育鲲"轮为例开展仿真试验,结果验证了本文算法的有效性,且对模型摄动和外界环境干扰具有较好的鲁棒性能。该算法具有计算量小、鲁棒性强、易于工程应用的优点。

大惯性船舶航向保持的改进简捷鲁棒控制

为了改善具有大惯性的船舶航向保持效果,在简捷鲁棒控制的比例部分加上一个正数,通过对系统的稳态和动态性能的理论分析,该方法在不改变系统的稳态性能的基础上改善了系统的动态性能。针对"育龙"轮进行了系统仿真,系统的调节时间由原来的700 s下降为100 s,结果验证了本方法的有效性。

船舶航向保持系统的云模型控制研究

云模型是对语言值所蕴含的模糊性和随机性的一种数学描述,它用期望值Ex,熵En和超熵He表征定性概念,将概念的模糊性和随机性集成在一起,是实现知识库中定量与定性之间相互转换的一种新途径.本文论述了模糊子集的云模型表示、基于云模型控制规则的不确定性推理,并设计了船舶航向保持系统的一维与二维云模型控制器.仿真结果表明,该控制器简易、直观、鲁棒性强,具有良好的控制性能和较好的应用价值.

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。

基于网络的船舶航向保持控制仿真平台设计

为使设计的控制器能通过网络控制船舶,根据VB具有的面向对象和用户图形界面设计简单的特点,设计一套基于网络的船舶航向保持控制仿真平台。在该平台上,以"育鲲"轮为被控对象,以PID控制算法为控制器,以Internet为数据通信载体,进行系统测试。结果表明:该仿真平台操作简单,设计合理,航向保持控制性能良好。

一种新型神经网络控制器及在自动舵上的应用

提出一种神经网络在线工业跟踪控制方法，此方法能解决ＢＰ学习算法中误差函数对权值的偏导数计算问题和执行器输出的脉动变化和饱和问题。把本控制器用于船舶自动舵控制，仿真结果表明了它的可行性和自适应性。

基于Lyapunov稳定性的船舶航向保持非线性控制

为简化船舶航向保持非线性控制器设计的过程,通过构建Lyapunov能量函数,将设计步骤由2步变为1步,减少了控制器参数的整定数量,避免了非线性控制律对消系统的非线性项.以实际船舶为例,结果表明,采用以上方法设计的非线性简化控制器具有一定的鲁棒性,主要控制指标良好,施舵合理.

船舶航向模糊滑模控制及仿真

为了削弱抖振,结合模糊控制和滑模变结构控制的特点,并按照航向保持和航向改变的控制要求,设计了一种组合式航向控制器.当航向偏差较大时采用基于指数趋近律的滑模控制以缩短操舵时间,反之则采用模糊滑模控制柔化控制信号.仿真结果表明,所设计的模糊滑模控制器无论在响应时间还是在超调量上都优于常规滑模控制器,并对系统的参数摄动和外扰具有强鲁棒性,能满足船舶航向实时控制要求.

H_∞自动舵鲁棒性的海试验证

给出了H∞ 鲁棒自动舵在阳澄湖号油轮上实际海试的结果 ,证明了该自动舵能够抑制海况干扰 ,具有良好的控制性能 ,对航速变化等产生的船舶模型摄动 ,具有良好的鲁棒性能 .