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原文传递船舶路径跟踪与减横摇综合控制研究

论文题名：	船舶路径跟踪与减横摇综合控制研究
关键词：	船舶运动;路径跟踪;减横摇控制;视线制导;神经网络
摘要：	船舶是海洋运输的重要载体，在执行海上运输任务时，有效地控制船舶运动可以减轻舵手的工作强度，缩短航行距离，节省燃料，以及保证航行安全。因此船舶运动控制对高效、安全地完成运输任务具有重要的意义。　　船舶运动本身具有大惯性、大时滞和强耦合性的特点；而且，船舶运动数学模型会随着航行状态（航速、航向等）和外界环境（风、浪和流等）条件的变化而变化。这些特点使得船舶运动控制成为一个强非线性、不确定性、受约束限制的控制问题。因此，研究船舶运动控制具有重要的理论意义。另外，从控制目标的角度分类，船舶航向控制、路径跟踪控制属于船舶低频运动控制，而减横摇控制属于船舶高频运动控制。在以往的研究中，绝大多数学者都将船舶路径跟踪与减横摇控制作为两个单独的控制问题分开研究。而实际上，当船舶在波浪中航行时，船舶艏揺运动与横摇运动是同时发生、相互影响的。因此，综合研究船舶路径跟踪与减横摇的控制方法具有重要的现实意义。　　本学位论文的研究工作主要包括四部分内容：船舶航向控制，船舶路径跟踪控制，基于舵的船舶路径跟踪与减横摇控制，以及基于舵、鳍联合的船舶路径跟踪与减横摇控制。除了船舶运动控制的共性特点，不同的运动控制问题也有其个性特点。根据不同的运动控制问题的特性，本论文采用了不同的控制理论方法。　　论文的第一部分内容（第3章）是船舶航向控制研究，包括航向保持和转向控制。控制输入为舵角，控制输出为船舶艏向，是一个单输入单输出（SISO：Single Input Single Output）的控制问题。相对于本论文研究的其他船舶运动控制问题，船舶航向控制相对比较简单，很多学者都为船舶航向控制研究做出了贡献，而本论文以此为对象开展研究的原因有以下两点：（1）因为船舶航向控制相对简单，所以多种经典控制方法可以直接应用，本文将船舶航向控制作为一个实例，说明了多种经典控制方法的设计、应用过程；（2）在以往的航向控制研究中，大多数学者都是针对一种方法，验证其有效性，并没有在同一仿真环境中对采用多种不同控制方法所设计的控制律进行仿真、对比，而本论文分别采用多种经典的控制方法设计了不同的控制律，并对多种控制律的控制效果进行了综合的对比、分析，说明了不同方法的优劣，据此可以了解不同控制方法的特点，为之后研究其他三个相对复杂的问题做理论准备。在这一部分的研究中，本论文首先建立了简化的船舶航向控制器设计模型，基于此模型，分别应用滑模(SM:Sliding Mode)方法、综合后推(Backstepping)与神经网络(NN: Neural Network)方法(Ne-backstepping)以及模型预测控制(MPC: Model Predictive Control)方法设计了船舶航向控制律，给出了控制律的设计、推导过程。比例-积分-微分(PID:Proportion Integration Differentiation)方法依然是当前实践中最常用的方法，因此在此部分中将应用PID方法设计的控制律的控制效果作为基准（benchmark）效果；此外，因为MPC方法与LQR（Linear Quadratic Regulation）都属于优化控制方法，为了说明 MPC的优势，本论文也应用LQR方法设计了控制律。利用一个高精度的4自由度(DoF:Degrees of Freedom)模型作为仿真模型，分别在有、无外界干扰的情况下，对上述5种控制律(SM，Ne-backstepping，MPC，PID，LQR)进行了对比仿真，给出了仿真结果，对不同控制律的参数进行了分析，验证了所设计的5种控制律的有效性，通过对仿真结果的比较，说明了不同控制方法的优、缺点。　　论文的第二部分内容（第4章）是船舶路径跟踪控制研究，包括直线路径跟踪与曲线路径跟踪。对于常规的水面船舶来说，船舶路径跟踪的控制输入为舵角与主机转速，控制输出为船舶纵向位移、横向位移与船舶艏向角。明显地，船舶路径跟踪的控制输入维数小于控制输出的维数，因此船舶路径跟踪控制是具有欠驱动特性的2输入3输出控制问题。船舶路径跟踪的欠驱动特性限制了很多经典控制方法的直接应用，因此本论文首先将Serret-Frenet框架与视线(LOS:Line of Sight)方法结合，将船舶路径跟踪的控制目标转化为跟踪误差与跟踪“视线角”误差，得到一个简化的船舶路径跟踪控制器设计模型，克服了欠驱动特性对多种经典控制方法的限制，同时也提高了单纯 LOS方法的鲁棒性。基于此控制器设计模型，本论文分别采用状态反馈滑模方法及综合后推与神经网络方法设计了2种控制律，给出了设计过程，并采用一个高精度的4-DoF模型作为仿真模型，分别在有、无外界干扰的情况下对这2种控制律进行了仿真，同时，对 PID方法设计的控制律也进行了仿真并将其结果作为比较的基准，通过对仿真结果进行综合的对比、分析，说明了不同控制律的优、缺点。　　论文的第三部分内容（第5章）是基于舵的船舶路径跟踪与减横摇控制研究，即利用舵同时进行船舶路径跟踪与减横摇控制。路径跟踪控制包括直线路径跟踪与曲线路径跟踪；减横摇控制包括减少横摇角与减少横摇角速度。综合本论文第二部分的工作，基于舵的船舶路径跟踪与减横摇的控制输出可以转化为跟踪误差、跟踪“视线角”误差、横摇角以及横摇角速度；因为船舶纵向运动可以从其他自由度的运动中解耦，所以本论文假设船舶主机转速不变，控制输入简化为舵（舵角的幅度和角速度受到约束限制）；而且船舶路径跟踪与减横摇的控制目标是相互影响、相互作用的。综上，基于舵的船舶路径跟踪与减横摇控制是一个受到约束限制的、欠驱动的单输入4输出的多目标优化控制问题。模型预测控制方法可以将多个控制目标放入同一个代价方程，通过优化算法计算最优的控制决策，不受欠驱动特性以及多目标等问题的限制；同时，该方法可以解决输入、输出限制问题，所以该方法对解决本章中的控制问题具有其他方法不可替代的优势。本论文采用模型预测控制方法为基于舵的船舶路径跟踪与减横摇控制问题设计了控制律，并利用一个高精度的4-DoF模型作为仿真模型进行仿真，仿真结果验证了所设计的控制律可以同时实现路径跟踪与减横摇的控制目标；同时，通过对不同控制参数的控制效果进行分析，给出了控制参数的调整依据。　　论文的第四部分内容（第6章）是基于舵、鳍联合的船舶路径跟踪与减横摇控制研究，即利用舵和鳍协同实现船舶路径跟踪与减横摇控制，控制输出与第三部分相同，但是控制输入由只有舵变为同时有舵和鳍。本论文为这个控制问题提出了三种解决方案：（1）分离式方案，即舵只用来控制船舶路径跟踪，而鳍只用来减横摇，这种方案完全不考虑船舶路径跟踪与减横摇之间的相互作用，也不考虑舵、鳍之间的配合，这种方案是当前工程实践中最常见的方案，本论文将这种方案作为基准方案；（2）整体式方案，即舵、鳍协同，同时控制船舶路径跟踪与减横摇；（3）半分离式方案，即舵用来控制船舶路径跟踪与减横摇，而鳍只用来控制减横摇。方案（1）包括两种控制策略，其一是基于PID方法设计的舵、鳍控制律；另外一种是基于综合后推与神经网络方法设计的舵控制律与综合滑模与神经网络方法设计的鳍控制律。方案（2）是采用模型预测控制方法综合设计的舵、鳍控制律。方案（3）舵控制律都是基于模型预测控制方法设计的，而鳍控制律的设计采用两种策略，其一是采用滑模方法，其二是采用综合滑模与神经网络方法（Ne-sliding mode）。论文利用一个高精度的4-DoF模型作为仿真模型，给出了仿真结果，验证了所设计的各种控制策略的有效性。最后，通过对比、分析各种控制策略的控制效果，说明了它们的优、缺点。　　本论文针对船舶路径跟踪与减横摇综合控制问题设计了多种控制方案，仿真结果说明了所设计的综合控制方法的可行性、有效性以及相对于单独控制系统的优势，这为确保船舶高效、节能、安全地完成海上运输任务提供了强有力的支持。
作者：	刘程
专业：	船舶与海洋工程
导师：	邹早建
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文