支持向量机在船舶航向控制中的应用研究

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1、分类号：TP273单位代码：10183研究生学号：2013512032密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）支持向量机在船舶航向控制中的应用研究ApplicationResearchofSupportVectorMachineinShipHeadingControl作者姓名：张资林专业：电路与系统研究方向：控制系统与仿真指导教师：王红波副教授培养单位：电子科学与工程学院2016年6月支持向量机在船舶航向控制中的应用研究ApplicationResearchofSupportVectorMachineinShipH

2、eadingControl作者姓名：张资林专业名称：电路与系统指导教师：王红波副教授学位类别：工学硕士答辩日期：2016年06月01日未经本论文作者的书面授权，巧法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行Ｖ出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕±学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中

3、己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中Ｗ明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名；Ｉ良日期。口：之年＾月日摘要摘要船舶自动舵的设计及船舶运动控制的研究一直是学术界和工业界共同关注的重要课题，良好的控制算法以及可靠稳定的船舶自动舵能够在船舶航行的过程中提高其安全性与经济性，具有重要的理论和实践意义。随着计算机科学与技术的发展，越来越多的智能算法如神经网络、蚁群算法等逐渐趋于成

4、熟并成功应用到各类工程领域当中，本文所探讨的主要内容则是支持向量机（SupportVectorMachine-SVM）这一智能学习算法在船舶航向控制以及船舶自动舵的设计中的应用。本文首先研究了船舶运动数学模型并根据文中的数学模型设计了船舶运动仿真软件。文中参考了IEC62065标准分别分析了船舶的推进系统、舵机系统以及船舶运动过程中的纵移模型、横移模型和艏向运动模型，给出了相应的数学表达。另外，由于船舶在实际环境中运动时会受到来自浪、流等因素的干扰，所以本文也对船舶运动环境中的海浪、海流的模型进行了探讨。最后，根据文

5、中所述模型，本文通过MATLAB搭建了船舶运动仿真系统，该仿真系统在PC上运行，可通过串口与船舶自动舵进行通讯，接收舵令并反馈当前船舶的姿态信息，最终实现对船舶自动舵性能的验证。本文参照IEC62065标准对该仿真系统进行了仿真试验，结果表明该仿真系统可靠稳定，可以用于船舶自动舵性能验证的仿真试验。在搭建船舶运动仿真系统之后，本文首先研究了SVM回归方法对船舶运动数学模型的辨识问题。SVM由统计学习理论发展而来，最早用于数据的分类问题，SVM在训练数据中建立最优分类超平面，通过判断预测数据与超平面的关系实现其分类功能

6、，另外，由于SVM在线性分类器的基础上引入了核函数，所以能够解决训练数据线性不可分时的复杂问题。SVM在控制中的应用主要是利用其回归功能，即建立超平面对已知训练集数据进行拟合，通过对采集到的控制目标的输入量和输出量进行训练，得到控制目标系统的输入-输出模型。本文利用最小二乘支持向量机（LeastSquareSupportVectorMachine-LSSVM）对文中所建立的船舶运动数学模型进行了在线辨识和离线辨识，LSSVM的在线辨识和离线辨识在本质上并没有区别，许多用于在线辨识的快速计算方法都可以I摘要在离线辨识中

7、使用，重点在于LSSVM在线辨识的训练数据较少并且训练数据集会进行更新，仅训练出某一小段时间范围内的目标模型并进行预测，节约了计算时间。文中通过仿真试验证明了LSSVM能够应用于船舶模型的离线以及在线辨识，并且结果表明LSSVM针对船舶模型的在线辨识在海浪干扰下可表现出良好的性能。在SVM与控制结合的领域中，一类方法是将LSSVM本身作为控制律，结合最优控制律进行求解，此类方法在设计时需要知道参考状态以及控制目标的模型；另一类方法是将SVM用于控制目标的模型辨识，通过辨识出的模型在线调整或设计控制律。最后，本文将LS

8、SVM同广义预测控制(GeneralizedPredictiveControl-GPC)相结合设计了一种用于算法验证的简易船舶航向自动舵，文中给出了主要模块的电路图以及主要软件流程图，并将所设计的船舶自动舵和文中搭建的船舶运动仿真系统进行了联合调试，试验结果表明文中所设计的船舶自动舵能够实现船舶运动过程中的航向控制，具有一定的实践意义。关键词：