基于鲁棒反馈线性化的船舶航向鲁棒内模控制

针对具有不确定项的船舶航向非线性数学模型,结合鲁棒反馈线性化方法和鲁棒内模控制算法设计出了船舶航向的鲁棒内模控制器.该方法先将船舶航向非线性数学模型鲁棒线性化,在补偿型船舶航向鲁棒控制律的基础上,设计出内模控制算法.鲁棒内模控制器中的反馈滤波器可以抑制参数摄动引起的实际输出与模型输出的误差,并对相关参数进行在线校正.以...     

船舶航向非线性控制系统仿真研究

基于Bech模型并充分考虑舵机特性提出了一种结构简单的船舶航向控制器--TC控制器.介绍了船舶非线性模型的选取,描述了船舶舵机特性,在此基础上设计了TC控制器.通过参数整定实验确定了TC控制器各参数的取值,并进行了航向改变、航向保持及参数摄动仿真实验.仿真结果证明所设计的船舶航向控制器效果良好,具有较强的鲁棒性.     

船舶航向非线性反演自适应滑模控制

为实现船舶在大幅度改向操纵运动中航向准确快速跟踪控制,采用Bech船舶操纵运动数学模型精确描述船舶运动性能。考虑到船舶运动中固有的非线性、模型不确定性和风、浪、流等干扰影响,设计一种船舶航向非线性自适应滑模控制器。利用反演法将滑模控制技术与自适应控制技术相结合设计航向改变控制算法,借助Lyapunov稳定性定理证明控制系统渐近稳定,并进行船舶航向控制仿真。仿真结果表明,本文所设计的船舶航向改变控制器性能优良,控制舵角合理,控制输出航向对本船参数摄动及外界干扰不敏感,具有较强的鲁棒性。     

基于Bech模型的船舶航向离散变结构控制

采用带不确定项的Bech模型可以更好地反映船舶运动的非线性特性以及不确定因素对船舶运动的影响。在Bech模型中增加不确定项，采用离散变结构控制理论设计船舶航向控制器。针对传统设计方法稳态抖振的缺点，提出一种新型的离散趋近律，可以消除传统趋近律自身参数导致的抖振。设计扰动估计器，能够自适应估计不确定因素对系统的影响，只要不确定因素的变化率有界，即可保证闭环系统的鲁棒稳定性，特别是对于幔变不确定性，具有很高的估计精度。仿真结果表明，所设计的离散变结构控制器可以快速准确地跟踪设定航向，并对参数摄动和外部干扰具有很强的鲁棒性。     

基于减聚类-自适应神经模糊推理的船舶航向保持控制设计

为解决船舶在非线性和不确定性条件下的常规航向保持控制参数难以确定和性能较差的问题,提出一种基于减法聚类和神经模糊推理系统(SC-ANFIS)的船舶航向保持控制设计。基于鲁棒PID控制,借助减法聚类算法的学习能力对输入样本进行聚类分析,优化模糊量化和模糊规则,继而用神经-模糊推理的方法解决船舶的不确定性问题和非线性控制问题;同时,为避免维数灾难等问题发生,采用多维隶属度函数设计一种可在线自调整的基于SC-ANFIS的航向保持控制系统,并设计仿真试验进行对比分析。仿真试验结果表明,在存在模型参数摄动和干扰的情况下,基于SC-ANFIS的航向保持控制系统可行、有效,能取得良好的控制效果。     

船舶航向线性自抗扰积分滑模控制

针对能更加精确地描述船舶动态性能的Bech模型航向控制问题，构造三阶跟踪微分器，对期望航向及其微分进行精确提取，提出了一种基于线性自抗扰的积分滑模航向控制器。该控制器采用线性扩张观测器对实际航向与内外界总扰动进行在线估计与补偿；引入积分滑模面函数，设计非线性误差反馈控制律，加快系统的收敛速度。采用Hurwitz多项式，简化控制器，实现控制器参数化。由仿真结果得出，控制器能快速准确地跟踪到期望航向，对参数摄动与外界干扰具有较强的鲁棒性。该控制器设计结构简单，线性自抗扰与变结构积分滑模面相结合的控制器设计提升了控制品质。     

欠驱动船舶路径跟踪的神经滑模控制

为实现欠驱动船舶在存在风浪流外界干扰和参数摄动条件下的路径跟踪控制,提出一种基于可视距离的神经滑模路径跟踪鲁棒控制器。利用可视距离思想,根据期望路径与当前位置信息,分别设计船舶纵向速度和艏摇角的参考值,并视为镇定位置误差的虚拟控制律,将路径跟踪问题转化为纵向速度和艏摇角的镇定问题;结合神经网络和滑模方法,设计一种新的神经滑模鲁棒控制器,实现了对虚拟控制律的跟踪控制,无需确定参数摄动和外界干扰的上界,避免了控制器容易出现的饱和问题和抖振现象。仿真试验表明,设计的控制器对欠驱动船舶的模型摄动和外界干扰变化不敏感,可以实现路径的理想跟踪。     

减摇航向保持舵的多目标协同优化控制

为使航向保持自动舵在简捷PD控制的基础上具备舵减摇功能,首先建立简捷PD航向保持和舵减摇控制器,以航向保持精度、舵减摇率和舵机能耗3个目标函数,利用NSGA-Ⅱ实现控制系统参数的协同优化。以非线性船舶运动模型为控制对象进行仿真试验,结果显示Pareto优化解集能充分反映多目标函数之间的制约性,与经验参数方案相比,在增加舵机能耗的前提下能够实现更高的舵减摇率和更好的航向保持精度。     

船舶航向模糊控制系统的设计

提出了一种改进的船舶航向模糊控制方法,将航向改变模糊控制器和航向保持模糊控制器有机地结合起来,同时在航向保持模糊控制器的输出端叠加了一个积分作用,提高了航向保持过程中的静态精度。仿真结果表明,无论是在静水环境中还是在不同风和流干扰的环境中,这种改进的航向模糊控制器都比常规的模糊控制器具有更好的控制效果,能够满足船舶航向实时控制的要求。     

规则纵浪中船舶参数激励横摇运动的鲁棒控制

为有效控制船舶在参数横摇运动中的失稳状态,根据规则纵浪中船舶参数横摇系统的非线性数学模型,设计了一种具有鲁棒性的非线性控制器.采用精确反馈线性化方法将纵浪中船舶参数横摇系统的非线性模型线性化,然后用闭环增益成形算法设计出非线性鲁棒控制器.在考虑不同的干扰和模型摄动情况后进行了仿真试验.仿真结果表明该控制策略对于船舶参数横摇系统十分有效,且鲁棒性能令人满意.算法的设计过程简单,物理意义明显.     

Robust adaptive course-keeping control of under-actuated ships with the rudder failure北大核心CSCD

[目的]针对舵机故障、控制增益未知和海洋环境干扰情况下的欠驱动船舶航向保持问题,设计一种考虑舵机故障的船舶鲁棒自适应航向保持控制算法。[方法]通过结合鲁棒神经阻尼技术和自适应方法,对繁重的神经网络权值进行横向压缩,仅需设计2个自适应学习参数对未知增益和舵机故障参数在线补偿,以确保船舶在舵机故障的情况下能够有效执行航向保持任务。通过李雅普诺夫理论,证明所提出的控制器半全局最终一致稳定有界(semi-global uniform and ultimately bounded,SGUUB)。最后以“育鲲”轮为仿真对象,建立非线性Nomoto数学模型,在海洋干扰下进行对比仿真试验验证。[结果]结果表明,在此策略下,“育鲲”轮在舵机故障情况下平均舵角输出比仿真试验中所对比的传统方法降低了51%,可改善航向保持控制效果。[结论]研究结果可为欠驱动船舶的航向保持控制问题提供借鉴。     

基于积分逆推法的船舶航向非线性鲁棒控制

为克服船舶航向控制系统中传统逆推设计方法因不确定恒值干扰易产生静差及控制器参数调整过于复杂等问题,提出了一种把闭环增益成形算法与带积分项的逆推方法相结合的船舶航向控制器设计方案,由此将逆推方法设计出的控制器需要整定的参数由原来的4个降为1个,且这个参数具有明显的物理意义.通过Matlab仿真软件进行仿真试验,结果表明设计出的控制器能够消除海风产生的静差,对船舶航向具有良好的控制效果,且对一定范围内的模型摄动具有较强的鲁棒性.该控制器设计方案结构简单,物理意义明确.     

非线性船舶航向自抗扰控制器的仿真研究

良好的航向操控对于应对船舶航行环境和突发情况具有现实意义。本文首先分析非线性船舶航向控制模型,在此基础上设计自抗扰控制器,并对其参数进行调整。最后与传统的PID控制器进行仿真对比,实验结果表明二阶自抗扰控制器能准确跟踪船舶,并且航向保持控制精度高。     

基于Bech模型的船舶航向自抗扰控制器设计与仿真

基于船舶非线性Bech模型提出了一种新型船舶航向控制器——高阶自抗抗控制器(ADRC),该控制器主要由三阶TD、四阶ESO和非线性状态误差反馈(NLSEF)三部分组成.设计扩张状态观测器时,采用二阶TD的滤波功能对系统输出进行噪声滤波,并用其滤波值来建立扩张状态观测器.通过航向改变、参数摄动、外界干扰的仿真试验表明,自抗扰控制器控制效果良好,具有较强的鲁棒性.     

基于粒子群优化反步法的船舶航向控制器设计

考虑到反步法在随机干扰下具有较优的控制效果,利用反步法设计基于Nomoto模型的船舶航向控制器;设计一种基于粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)反步法的航向控制器,其能通过优化不确定增益参数来消除部分冗余控制。通过仿真试验比较不同航向控制器的性能。仿真结果表明:粒子群优化反步法航向控制器具有更高的控制精度和更强的鲁棒性。     

船舶航向控制系统中多自由度嵌入式控制器的优化设计

船舶航向控制器设计工作在船舶运动控制中始终占据重要地位,且直接关乎船舶航行舒适程度、安全程度与经济程度。因为船舶动态的非线性特征、大时滞特征较为明显,加之模型参数摄动与船舶运动状态下诸多外界干扰因素影响,导致控制器设计难度明显增加。为此,本文将多自由度嵌入式控制器优化设计应用于其中,能够使船舶航向控制系统性能得到全面提高,在船舶航行过程中,为其航向控制系统的正常运行提供必要保障,推动了现代船舶行业的发展。     

基于Lyapunov函数的船舶航向保持非线性控制器设计

船舶航向保持控制器是船舶动力系统的重要组成部件,其目的是使大型船舶航行轨迹与预设轨迹误差在阀值范围内。传统的船舶航向控制器利用PID控制器计算各种干扰综合作用力,并控制推进器平衡外界干扰力,随着船舶动力系统复杂度增加,PID的控制精度及时效性已不能满足现代船舶航向保持的要求。Lyapunov函数是一种微分跟踪控制过程,对于复杂非线性系统具有很好的鲁棒性。本文研究船舶航向保持控制的数学模型,在此基础上提出基于Lyapunov函数的船舶航向保持非线性控制器。     

基于Backstepping的船舶航向自适应鲁棒非线性控制器设计

针对非线性船舶航向控制中船舶参数不确定性以及外界干扰随机性的特点,提出了一种基于Backstepping的自适应鲁棒控制器非线性系统的设计方法.为了消除静态误差,设计过程中引入了积分器,并借助Lyapunov函数证明了该控制策略使得闭环系统全局一致最终有界,选取恰当的设计参数可保证航向保持误差任意小.仿真结果表明所设计的控制器是有效的.     

一种正弦函数修饰的船舶航向保持策略

为了解决船舶在大风浪天气下转向舵机能量消耗大,航向不易保持,舵机磨损程度大的难题,在传统控制器PID的基础上加上非线性正弦函数进行修饰,以大连海事大学新下水船舶"育鹏"轮为船舶模型,建立了Norrbin船舶运动数学模型,在七级风浪海况下进行航向保持控制仿真实验。实验结果表明,在非线性修饰的情况下,舵机节能效果明显,鲁棒性能好,调整参数少,对控制器的设计具有指导意义。     

船舶航向自适应神经网络鲁棒跟踪控制

针对存在不确定性和带有完全未知时变环境扰动的船舶航向非线性控制系统,将指令滤波技术和反步法相结合,设计了一种船舶航向自适应神经网络鲁棒跟踪控制器,该控制器的提出不依赖于外部扰动任何的先验信息。首先,利用神经网络补偿船舶航向非线性控制系统中的非线性项;设计自适应律在线更新神经网络权重向量和估计时变环境扰动的未知界。为了避免传统反步法中对虚拟控制律的反复求导,引入指令滤波技术,使得所设计的航向自适应神经网络跟踪控制器具有结构简单、易于工程实现的特点。理论分析表明,所设计的控制器能使船舶实际输出航向以任意期望的精度跟踪给定的参考航向,保证船舶航向闭环控制系统中所有信号一致最终有界。最后,以大连海事大学远洋实习船“育龙”轮为例进行仿真,仿真结果验证了所提控制器的有效性和鲁棒性。