石建峰李少华《自适应控制》课程设计报告

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1、石建峰李少华《自适应控制》课程设计报告自适应控制课程设计报告船舶航向的模型参考自适应控制专业：控制工程导航学号：139030022姓名：李少华石建峰任课教师：翟江涛船舶航向的模型参考自适应控制摘要：本文对基于模型参考自适应控制方法的不确定非线性系统的控制理论及其在船舶运动控制中的应用进行了研究。船舶航向控制器的设计是船舶运动控制领域内的重要研究课题之一，许多专家学者一直在致力于该方向的研究工作。但是当今大部分船舶航向控制器的设计仍然采用Nomoto线性模型，忽略了船舶操纵运动的非线性因素，未能彻底解决船舶的航向控制非线性问题。针对这一问题，本文基于模型参考自适应控制方法设计了自适应控制器，通

2、过仿真检验，结果表明，所设计的自适应航向控制器可以较好的解决这一问题。本文首先概述了模型参考自适应方法的基本原理和基本结构。船舶运动模型是研究船舶运动控制的基础，针对船舶模型的非线性、时变性和不确定性的特点，建立了非线性数学模型。基于模型参考自适应方法，首先设计了一种参数已知的船舶航向控制器；然后对含有不确定参数和外界干扰的船舶运动模型进行自适应控制器的设计。最后，在Matlab的Simulink下，对所设计的自适应航向控制器进行仿真检验，仿真结果表明，所设计的自适应航向控制器具有良好的控制能力。关键词：船舶航向控制器；模型参考自适应控制；自适应舵；PID自动舵；船舶运动模型；自适应控制；1

3、目的和意义目前为止，绝大多数的船舶航向控制器设计中，忽略了船舶操纵运动的非线性因素。但是，由于船舶运动特性随航速、载荷、吃水、水深等的因素变化而变化，扰动特性也随海浪、风、流等海况变化而不同，因此，船舶航向控制的数学模型与扰动模型具有明显的不确定性。常规的PID自动操舵仪以确定性数学模型为基础，没有考虑这些变化，所以，常规的PID自动操舵仪不可能有很好的控制性能，此控制方案并没有能彻底解决船舶的航向控制问题。线性Nomoto船舶运动模型由于其结构简单且从船舶标准实验数据中获得模型参数相对容易，在船舶操纵自动舵设计中被广泛应用。然而，线性模型的有效性仅局限于涉及小舵角的航向保持操纵器的情况，采

4、用线性模型己经不能精确的描述系统的动态响应特性。因此，在客观上提出了发展精度更高的、更完善的、适应性更强的航向控制器的要求，而非线性控制理论和计算机技术的发展，使这种要求变为可能。目前，国内有关的自适应航向控制器的研究尚处于理论发展阶段，还存在很多问题有待解决，还有很多方面需要完善、需要改进。因此，本文的目的就是进一步探索比较完善的、比较切合实际的船舶航向控制器，希望能够推动先进的控制技术早日应用到实际的船舶航向控制中。2模型参考自适应控制算法2.1模型参考自适应控制的基本原理模型参考自适应在各种自适应控制方式之中是比较流行一种，它的基本原理是依据已知的被控对象结构和控制要求来设计参考模型，

5、使参考模型的输出表达对输入指令所期望的响应，再通过参考模型输出与被控对象输出两者之间差值的某个函数准则来调整相应的控制器参数，力图使参考模型的输出与被控对象的实际输出之间的广义误差量e趋向于极小值或者减少至零，也就是使被控对象的输出向参考模型的输出无限靠近，最终达到完全一致。在这种系统中，不需要专门的在线辨识装置，用来更新控制参数的依据是广义误差向量e。模型参考自适应控制的基本结构如下图1所示：它主要由参考模型、自适应机构、控制器、以及被控对象组成。其中参考模型代表被控对象被期望所应该具有的特性。自适应机构的输入项就是被控对象的输出项y(t)与参考模型的输出项ym(t)之间的差值e。e是广义

6、输出误差，它的功能是确保被控对象的输出y(t)能够跟随参考模型的输出ym(t)。尽可能的消除广义误差e，就可以使被控对象与参考模型同步，从而具有与参考模型相同的特性。图1模型参考自适应控制的基本结构2.2模型参考自适应控制的功能(一)模型参考自适应跟随控制如图2所示，主要由两个环路组成，内环是一个由前馈调节器、被控对象和反馈调节器组成的可调系统，由自适应机构来调节。外环由自适应机构和参考模型组成。图中r(t)为给定的输入指令信号，通称参考输入。自适应机构可以采用信号综合法调节控制，也可以调节前馈调节器与反馈调节器的参数，两种方法都可以使被控系统满足参考模型所输出的动态要求。图2自适应模型跟随

7、控制器(二)模型参考自适应估计器在模型参考自适应控制系统里面，如果将参考系统定为被观测和辨识的实际系统，使参考系统被可调模型跟随，也就是通过自适应机构对可调模型的调控来与实际系统保持一致，这样就可以实现用可调模型的参数与状态去估计实际系统的参数与状态以及可调模型的参数与状态跟踪实际系统。可调模型的基本结构如图3所示。图3模型参考自适应估计器3模型参考自适应控制理论的发展过程及控制类型3.1发展过程(一)早期的