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船舶模型辨识与航向控制算法设计
| 论文题名： | 船舶模型辨识与航向控制算法设计 |
| 关键词： | 船舶模型辨识;航向控制;船舶运动模拟器;半实物仿真平台 |
| 摘要： | 二十一世纪是海洋的世纪，对海洋中丰富资源的开发与保护已经成为世界各国研究的热点，船舶装备在人类认识海洋、开发海洋与保护海洋等方面起着不可替代的作用。对船舶操纵模型的精确辨识是实现船舶航向控制的前提，本文以“船舶模型辨识与航向控制算法设计”为选题，与船舶运动模拟器的半实物仿真平台进行了联合调试，进行了船舶模型辨识和航向控制算法探索研究。 本文首先对船舶六自由度运动坐标系进行了描述，通过简化船舶三自由度非线性数学模型，建立了船舶操纵运动数学模型;并且使用成型滤波器产生不同频率和幅值的海浪干扰模拟信号，从而建立了海浪干扰模型;然后介绍了多新息递推最小二乘算法，并将该算法应用于船舶模型参数的辨识，通过仿真试验验证了多新息对船舶航向模型辨识的有效性，对比了不同新息数下，辨识过程和结果的差异，并采用遗忘因子最小二乘法对扰动进行实时估计，分析了遗忘因子强弱对扰动辨识精度的影响;进一步，针对船舶航向控制问题，建立了航向保持性能指标，设计了基于航向控制精度和能耗性能指标综合最优控制算法和模型参考自适应算法，创新性的在性能指标中加入了阻尼指标，并通过船舶运动模拟器半实物平台的联合调试，对比了不同最优控制律参数对航向保持精度、打舵次数、舵角平均幅值等指标的影响，从而验证最优控制算法的有效性。进一步，考虑船舶所遭受的环境干扰的影响，引入遗忘因子最小二乘和模型参考自适应扰动补偿机制，通过对比加入自适应机制前后航向保持和航向改变过程性能指标结果的变化，验证了自适应机制有效的抑制干扰的影响，实现期望性能的航向控制。 其次，通过所建立的船舶操纵运动模型，采用多新息最小二乘辨识算法对航向数学模型中的K-T参数进行辨识;结合船舶运动模拟器半实物仿真平台和实船试验，验证辨识算法的有效性，合适的新息数能有效提升辨识参数精度。最后，设计了船舶航向最优控制算法和航向模型参考自适应算法，通过半实物仿真平台和仿真验证其算法的有效性。对比实验结果，发现调节最优控制参数可以明显减少打舵次数，同时降低了航向控制精度;或提升航向控制精度，同时增加了打舵次数，验证了调节最优控制律参数可以实现航向控制精度和能耗之间的折衷。同时，引入模型参考自适应扰动补偿机制，通过仿真实验，对比最优控制律加入自适应机制前后航向保持和转向过程性能指标，进一步验证了模型参考自适应扰动补偿在打舵次数和幅值基本不变的情况下，可以进一步减少航向控制误差，并减少转向过程调节时间。 |
| 作者： | 曲跃 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 朱齐丹 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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