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自动操舵仪航向控制器设计与系统仿真
| 论文题名： | 自动操舵仪航向控制器设计与系统仿真 |
| 关键词： | 船舶运动控制系统;自动操舵仪;航向控制器;参数设计 |
| 摘要： | 经济发展与海洋资源开发共同促进了航运业的快速繁荣，随之而来的是航行密度增大，事故增多。此外，人们对于大吨位、高航速船舶的需求日益增多，同时如何安全、快速、高效地完成航海任务，不仅是缩短航程，减少燃油消耗，还要求能以更少的船员和人力完成更多的航海操纵任务。所有的这些要求最终归结为:人们需要一个高效、精确、自动化程度高的船舶运动控制系统。自动操舵仪是船舶操纵控制的主要设备，航向控制又是其最基本最重要的功能。因此，本文以船舶航向控制作为研究重点。 本文首先对船舶航向控制的原理和模式作了一些说明。针对船舶航行过程中面对复杂扰动，同时又由于自身航行状态导致模型不确定性的问题进行了分析研究。最终决定，采用具有非线性特性的Norrbin响应型船舶运动模型作为控制对象。同时为了仿真需求，对建立的风浪流扰动模型进行等效模拟。 控制算法方面，首先以经典PID方法设计航向控制器，发现其对非线性Norrbin模型的控制效果较差。为此，使用MATLAB提供的非线性控制系统优化工具对其控制器参数进行了优化，优化后的控制器取得了较为满意的控制效果。然后对PID控制存在的不足之处进行分析，对应给出自抗扰控制技术(Active disturbance rejection controller,ADRC)的跟踪微分器(Tracking System，TD)环节、扩张状态观测器(Extended state observer,ESO)环节和非线性状态误差反馈(Nonlinear state error feedback，NLSEF)等环节。并对部分环节的原理进行了仿真验证。 本文主要部分为ADRC航向控制系统设计，应用ADRC技术设计航向控制器，控制算法以s函数编写，封装为SIMULINK模块以供控制系统调用，控制系统模型也用SIMULINK仿真工具搭建。对ADRC中ESO和NLSEF环节的非线性反馈增益系数进行遗传算法整定，大大简化了人工整定的难度。 控制器设计完成后，对设计的优化PID控制器和ADRC控制器进行了仿真研究。结果表明，基于ADRC的船舶航向控制系统在扰动抑制方面具有较大优势，同时ADRC船舶航向控制器舵角响应幅值较小，操舵平缓，航向无超调，控制性能较为优越。对两种控制器参数摄动时的控制效果进行仿真，结果也表明ADRC控制具备更好的鲁棒性. |
| 作者： | 郭光涛 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 梁利华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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