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原文传递基于网络控制的船舶航向保持控制研究

论文题名：	基于网络控制的船舶航向保持控制研究
关键词：	船舶行驶;航向保持;网络控制;仿真验证
摘要：	本文为了处理船舶航向保持网络控制中网络诱导时延和数据包丢失对系统稳定性和性能的不良影响，分别提出两种处理网络诱导时延和一种处理数据包丢失的方法，不但通过Matlab进行了仿真验证，而且通过最后设计并实现的基于海事卫星通信的船舶航向保持控制仿真测试平台进行了试验仿真验证。论文主要创新点如下: 　　1.提出了一种适用于船舶航向保持网络控制的鲁棒自适应神经网络控制算法。该算法纵向传递子系统中非线性不确定和时延，并以单个径向基函数神经网络最终补偿镇定，具有形式简捷、参数易整定、鲁棒性强等优点。　　2.借助辅助模型辨识思想，提出了一种适用于船舶航向保持网络控制的简捷鲁棒控制方法。该方法以特征模型辅助估计和Padé逼近技术处理网络通信中的数据包丢失和时延问题，具有模型构建简洁、鲁棒性强、易于工程应用等优点。　　3.使用Visual Basic设计并实现了基于海事卫星通信的船舶航向保持控制仿真测试平台。该平台可利用实际网络通信链路进行数据传输，为本文所研究算法增加了一种便捷且实用的测试平台，一定程度上解决了网络控制系统现有研究中常规数字模拟网络环境仿真的局限性。　　船舶航行安全一直是世界各国非常关注的问题。在海盗威胁较为严峻的形势下，如何避免船舶被劫持和被劫持后的应急处理已经是当前航运界关注的一个热点问题。海盗劫持船舶不仅影响海上运营，而且严重威胁船员人身安全。另外，随着水面无人船(Unmanned Surface Vehicle，USV)研究的不断深入，未来船舶将在船上没有一个人员的情况下通过远程操控穿越大洋运载货物到达目的地。一旦船舶上没有人员，意味着可以运载更多货物，产生更大利润，而且因人为失误造成的意外将大大减少，同时，海盗面对无人船也将束手无策。随着现代船岸一体化船舶监控系统新功能的不断升级，在逐渐提升运营效益的同时，也将更有效地保障航运生产安全。一旦船舶遭遇劫持等紧急情况，通过船岸一体化船舶监控系统，岸站中心可以实时接收船舶各项数据，根据船舶状态，实行远程操控。船舶运动控制系统通过通信网络进行数据交换，不可避免地面临网络控制系统(NetworkedControl System，NCS)固有的时延和数据包丢失等问题。　　本文为了研究船舶航向保持网络控制，处理NCS中时延对系统稳定性和性能的不良影响，首先对Intemet及海事卫星通信网络的时延和丢包性能进行了实际测试和分析，结合其特性提出了一种新的鲁棒自适应神经网络控制方案，补偿不确定时延对一般严格反馈系统带来的影响。这种新的方案主要利用Lyapunov-Krasovskii函数对不确定时延进行补偿，使用Backstepping方法将每个步骤中的非线性项纵向传递到第n个子系统，然后引入径向基函数神经网络(RadialBasis Function Neural Networks，RBFNNs)进行补偿镇定，最后进行了仿真验证。该方案具有形式简捷、易于工程应用等优点。　　为了同时处理NCS中时延和数据包丢失对系统造成的不良影响，引入辅助模型估计(Auxiliary Model Estimation，AME)方法，以特征模型作为辅助模型，用其输出代替被控对象在丢包情况下的估计值，并将Padé近似技术与闭环增益成形算法(Closed-loop gain shaping algorithm，CGSA)相结合设计考虑时延的船舶航向保持简捷鲁棒控制器，最后进行了仿真验证。该方法具有设计过程简单、工程实现容易、模型构建简洁、控制效果良好等优点。　　为了更方便地开展本文所研究算法的模拟测试实验，从仿真平台的实用性和易用性出发，利用Visual Basic(VB)用户图形界面设计简单和面向对象等特点，设计并实现了基于海事卫星通信的船舶航向保持控制仿真测试平台，弥补了单一数字仿真的局限性。结合本文所提出的针对NCS中时延的处理方法，在对海事卫星通信及Internet通信进行测试比较的基础上，验证了船舶航向保持运动通过海事卫星通信进行远程控制的可行性和平台的实用性。　　本文从提高远洋船舶遭遇劫持等紧急情况应急处理能力角度出发，提出岸站中心通过卫星通信网络实现对船舶的远程操控，解决船舶航向保持网络控制研究中时延、数据包丢失对整个闭环系统带来的不良影响，并设计和实现了基于海事卫星通信的船舶远程控制仿真测试平台。通过本文的研究，船舶实现远程控制具有较高的技术可行性。
作者：	徐国平
专业：	交通信息工程及控制
导师：	张显库
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文