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原文传递基于广义模糊双曲正切模型的船舶航向控制

论文题名：	基于广义模糊双曲正切模型的船舶航向控制
关键词：	船舶航向控制;广义模糊双曲正切模型;输入饱和;随机微分方程
摘要：	船舶航向控制系统是船舶最重要的操控系统之一。妥善的进行船舶航向控制不但能够减轻船员的劳动强度，而且对于船舶在海上航行方面的安全也至关重要，因此一直作为研究热点。近几年来前沿技术被应用于船舶航向系统，船舶航向控制进入了智能航向控制的全新发展阶段。然而研究难点不容忽视，船舶航向控制的发展对模型描述的准确度，系统控制的精度提出了更高的标准。首先，传统模糊模型尽管能够处理由于船舶的载况、航速变化等原因造成的船舶运动控制中的非线性问题，但是这些逼近手法辨识结构复杂，计算量庞大，增加控制器运算负担。这是不容忽视并迫切需要解决的问题，也是非线性船舶航向系统控制的巨大研究难点。其次，现有的航向控制中舵角输入饱和常被忽略，尽管在模拟运行时不存在由于实船设备和安全航行规则的限制，但从实际出发该问题不容忽视。最后，由于以往研究航向控制器设计时常常忽视外界干扰的复杂性和随机性，以致于无法建立更符合工程实际的受控模型，进而难以做到准确的控制器设计。因此，在本文中提出两种基于广义模糊双曲正切模型(GeneralizedFuzzyHyperbolicModel，GFHM)的船舶航向运动控制算法，能够有效处理船舶航向控制中的非线性问题简化辨识参数。同时，考虑航向控制器限制条件能够有效补偿饱和的输入舵角，考虑外界干扰的复杂性与随机性能够对其进行刻画及容纳。　　本文主要研究内容如下：　　其一，针对考虑舵角输入饱和的非线性船舶航向控制系统设计了一种基于GFHM的饱和船舶航向控制算法。该算法采用了GFHM对船舶航向模型中的非线性项实现全局逼近，这是一种更适合多变量非线性问题的处理方式，相较于传统模糊模型具有辨识参数少、辨识速度快的优点。同时本文借助一种“舵角内补偿”辅助设计系统在控制器设计中通过引入饱和函数及辅助补偿变量得到最终控制率解决输入饱和问题。　　其二，针对具有复杂噪声影响下考虑舵角输入饱和的非线性船舶航向系统，设计了一种基于GFHM的对存在噪声及饱和情况下的船舶航向控制算法。该算法在解决船舶运动模型非线性及饱和问题的同时引入了非白噪声对复杂的干扰进行刻画以重新进行受控航向系统模型的优化，并且基于RDEs理论框架(RandomDifferentialEquations)与李雅普诺夫方法融合进行稳定性证明。该算法控制下船舶航向系统是噪声状态下依概率渐近稳定（Noise-to-StateStableinProbability，NSS-P），系统状态是依概率渐近增益的（AsymptoticGaininProbability，AG-P）。　　本文主要创新型成果概述如下：　　（1）本文提出了一种更适合逼近非线性船舶航向系统的控制方法，应用GFHM处理系统非线性问题相较于传统船舶模糊模型有效地简化了辨识参数，且由于结构特殊该方法更适合处理船舶等已知变量有限的多元非线性系统。　　（2）为了消除输入饱和限制的影响，在控制器设计过程中引入了“舵角内补偿”辅助设计系统，其有效补偿了由于船载设备自身限制及船舶安全驾驶规则等原因导致的舵角饱和问题，使得控制算法更具工程实际意义。　　（3）为了对系统更精确的控制，利用非白噪声来描述海洋环境中的复杂扰动更为合理和准确。同时基于RDEs理论框架进行控制器设计与稳定性分析。使得船舶航向系统在所提出的方法控制下是依概率渐近稳定的。
作者：	陈佳泽
专业：	航海科学与技术
导师：	李铁山
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022