欠驱动船舶水面的非线性数学模型及跟踪控制.pdf

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1、第37卷第5期2015年5月舰船科学技术SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYV01．37，No．5May，2015欠驱动船舶水面的非线性数学模型及跟踪控制赵越(江苏海事职业技术学院，江苏南京211170)摘要：以欠驱动船舶水面的跟踪控制为研究对象，介绍船舶的数学模型和运动方程建模，以及船舶在水平面上3个自由度的运动方程，并且对船舶可能受到的风、浪、流等干扰进行分析。最后，提出一种自抗扰船舶航向控制方法，在该方法中，运用遗传算法对控制参数进行优化处理。实验结果表明，该自抗扰控制方法具有较高的抗干扰能力和较强的鲁棒性。关键词：欠

2、驱动水面船舶；数学模型；跟踪控制中图分类号：U665．26文献标识码：A文章编号：1672—7649(2015)05—0192—04doi：10．3404／j．issn．1672—7649．2015．05．044NonlinearmethematicalmodelandtrackingcontrolstudyforunderactuatedmarinesurfacevesselsZHAOYHe(CollegeofNavigationTechnology，JiangsuMaritimeInstitute，Nanjing211170，Chi

3、na)Abstract：Inthispaper，thetrackingcontrolproblemforunderactuatedsurfacevesselswasstudied．First，themotionmodelandequationmodelingmovementoftheshipwasintroduced．Second，theshipmotionequationsatthreedegreesoffreedominthehorizontalplanewasintroduced，andtheinterferencefactors

4、suchaswind，waveandflowwereanalyed．Finally，thispaperproposedaADRCcontrolmethod，inthismethod，geneticalgorithmwasusedtooptimizethecontrolparameters．Thesimulationresultsshowthatthismethodhavehighanti—interferenceabilityaandhacegoodrobustness．Keywords：underactuatedsurfaceship

5、s；methematicalmodel；trackingcontrol0引言随着海上经济贸易的繁荣和发展，海上交通环境日益复杂。比如，船舶数量的不断增加，使得航道水域越来越拥挤；船舶的大型化以及高速化，使得航行安全问题越来越突出。因此，研究船舶航行轨迹与航行方向的控制问题对于保证航行安全具有非常重要的现实意义⋯。准确、高效的航向与航迹控制，能够大大地减轻船员的劳动强度，缩短船舶的航行距离，节约船舶燃料动力的消耗。在本文中，以欠驱动船舶的运动控制为研究对象，对船舶运动的数学模型，风、浪、流等干扰因素的数学模型进行研究学习，提出了一种基于遗

6、传算法的自抗扰跟踪控制方法。l船舶运动的数学模型1．1运动坐标系在船舶运动的数学模型中，通常要考虑到船舶位置、船舶运动以及船体受到的外力作用等问题，因此，在船舶运动的数学模型中要采用惯性坐标系和附体坐标系心‘3]，分别用来描述船舶位置情况和船体运动和受力情况，如图1所示。收稿日期：2014—10一18；修回日期：2015—01—16作者简介：赵越(1977一)，男，硕士，讲师，研究方向为船舶操纵与避碰技术。第5期赵越：欠驱动船舶水面的非线性数学模型及跟踪控制·193·魄∈，t／1、／／／＼／飞／}h—j·‘‘2’图1坐标系示意图Fig．

7、1Coordinatesystemschematicdiagram图1中，惯性坐标系为x。y0Z。0。，其中凰为正北方向(单位向量：i。)；Yo为正东方向(单位向量：J。)；Z。为地心方向(单位向量：后。)；附体坐标系为xyzo，其中戈为船头方向(单位向量：i)；Y为右舷方向(单位向量：J)；彳为龙骨方向(单位向量：k)。在惯性坐标系中，设：以0为参考点的平动速度为Vo；秽为前进速度；u为横移速度；埘为垂荡速度；以0为参考点的转动角速度为力；p为横摇角速度；q为纵摇角速度；i为首摇角速度；则：Vo=ui+巧+wk，力=pi+q『+r．

8、

9、}。在惯性坐标系中，设K在x。轴、y0轴与磊轴方向分别表示为u、y与肜，则：Vo=Uio+‰+Wko。2个坐标系的关系为：卦圳，【埘JH=Tnlql。【rJ式中：X。，Y0，Z。为惯性坐标系中的位置向量导数