鲁棒控制在操舵系统中的应用研究

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1、哈尔滨丁稃大学硕十学位论文摘要船舶操纵系统是船舶上非常重要的船舶运动控制系统。由于船舶运动呈非线性，船舶运动动态特性又与航行工况密切相关，还受风、浪、流等各种干扰，所受到的水动力和干扰情况非常复杂，而且执行机构还存在明显的死区、继电等非线性，所以船舶操纵是极其复杂的运动，给船舶的运动控制带来的难度。为在精确、经济和可靠的前提下，实施对船舶的有效操纵控制，本文以某型船为例，对操舵系统和船舶航向控制系统的控制方法进行了优化设计。首先分析了操舵系统的原理和结构，建立了液压操舵系统模型。接着建立船舶运动模型、船舶外界环境干扰模型和自动舵的数学模型。然后在此基础上利

2、用MATLAB提供的Simulink动态仿真环境，分析讨论了操舵系统和航向控制系统在无干扰和有干扰条件下，舵角的跟踪精度和鲁棒性，船舶航向的稳定性等。最后将鲁棒控制算法应用于操舵系统及船舶航向控制系统，运用仿真与传统的PID控制方式进行了对比，通过各种情况下的仿真研究表明，先进控制算法鲁棒控制技术应用于船舶操纵控制系统，将明显改善了船舶操舵系统和航向控制系统的性能。关键词：操舵系统；航向控制；鲁棒控制；PID@√哈尔滨工程大学硕士学位论文Abstractthehydrodynamicforceoftheshipisverycomplex，SOmotionc

3、ontroloftheshipisrathercomplicated．Inordertocontrolthesupeffectively,thecontrolsystemofsteeringsystemandheadingcontrolsystemisoptimizedtomeettherequirementsofaccuracy,economyandreliability．Firstly,thetheoryandstructureofthesteeringsystemareanalyzed,andthehydraulicflCl'VOsystemmode

4、landthemathematicmodelofinteractionofenvironmentalconditions，shipmaneuveringsystemandautomaticpnotcontrolareestablished．ThesimulationiscompletedbySimulinkofMATLAB．Andthepaperanalyzestheprecisenessandrobustnessofthesteeringangleandthestabilityoftheshipdirectionunderconditionsofthee

5、xistenceofdisturbanceandnonexistenceofthem．ComparedtothetraditionalPIDcontrolmetll。d'磷■bIIstcon仃olimpfovethem。tionc。nnolof也cshipobviouslythroughanalysisofdifferentconditions．Keywords：Steeringsystem,Headingcontrol；robustcontrol：PID,墨绷哈尔滨下程大学硕士学位论文第1章绪论1．1课题研究的背景及意义在船舶运动控制中，船舶操纵系统是实

6、施最佳航行计划，保持船舶航行在预定航线上，同时根据避碰、避险系统的指令进行相应的操船行动的指令执行系统，是船舶满足航向稳定性和航行机动性的关键环节。操舵系统是船舶操纵系统的执行环节，控制命令都是通过它来驱动控制舵叶，其根本任务就是实现被控量舵角对给定量转舵指令的及时和准确跟踪，达到控制之目的。虽然从20世纪90年代至今，这一时期的自动舵系统结合当前先进控制策略，如鲁棒控制、神经网络、模糊控制及遗传算法等，在满足系统控制性能要求的前提下，提高了其自适应性及鲁棒性。但是，大量研究人员在自动舵研究时，往往把主要精力集中投入在对航向或航迹的控制算法的完善，设计并采

7、用先进的控制器。但对于操舵系统，仍普遍满足于用经典控制理论来指导伺服系统的设计。因此，自动舵控制器的优化设计虽有效改善了自动舵的控制性能，但由于该控制器是在操舵系统闭环之外，虽对航向修正有较好效果，但不能有效提高操舵系统的精度和鲁棒性。而且，随着算法的改进，以及平舵系统的控制精度和抗干扰性，也在很大程度上影响到航向／航迹闭环控制系统的性能，最终影响船舶的操纵性能。因此，要获得良好船舶操纵性能，不仅要依赖各种“高级的”航向保持和航迹保持算法之外，还需十分注意操舵系统这一舵角闭环的动态性能，以及舵角闭环的动态行为与自动舵(航向环和航迹环)之间的匹配m。而如何从

8、控制策略的角度重视操舵动态环节，设计出能同时照顾到操舵系统和航向反