基于模糊PID的无人帆船航向控制方法

[目的]无人帆船在复杂海况下会出现航向状态不稳定的现象,为提高帆船在多变和未知环境下的抗干扰能力与航行的稳定性,实现对帆船航向的准确控制,提出一种结合传统PID技术的模糊自适应控制方法。[方法]建立响应型三自由度的Nomoto运动数学模型,借助Matlab的Simulink建模工具搭建模糊规则和仿真控制器,对PID控制参数进行实时在线优化调整。分别在不同航速和加入随机扰动下,与传统PID控制进行对比研究,分析不同的控制方法对航向的影响情况,并通过试验进行对比验证。[结果]结果表明,应用模糊PID方法控制小型无人帆船的航向,具有较好的自适应能力和较强的鲁棒性。[结论]研究成果可为无人帆船的航向控制设计提供参考。     

基于NESO的潜艇航向滑模控制器设计

[目的]潜艇在复杂海况下进行水面航行时,为实现低噪操舵控制,[方法]采用潜艇水平面线性运动模型,并利用基于双幂次趋近律的滑模控制对参数变化和外部干扰不敏感、响应速度快、容易实现等优点,设计航向控制器。针对海浪干扰问题,利用非线性扩张状态观测器(NESO)设计海浪滤波器,用以补偿系统外部干扰。[结果]理论推导结果证明了航向滑模控制器的稳定性,并通过Matlab仿真结果验证了其良好的滤波效果。[结结论]研究结果表明,该航向滑模控制器在不同航速、不同海况、不同浪向下均可实现低噪、快速、高精度的航向控制性能。     

船舶操纵运动智能控制的实时仿真研究

本文以“mariner”型船为例，建立了外界干扰下的船舶操纵运动数学模型，并将模糊控制理论应用于船舶操纵运动自适应控制，如用该船型可以对船舶在各种风，流状态的运动性能进行仿真，同时选用不同的模糊控制参数建立相应的合理的模糊控制规则，可以实现船舶在风，海流条件下保持航向，航线以及改变航向，航线的模糊控制仿真。     

基于非线性PID的船舶航向自动舵设计

本文针对线性Nomoto船舶运动模型，讨论了一种非线性PID船舶航向自动舵的设计方法，该非线性PID船舶航向自动舵设计简单，在航向自动舵传统PID设计方法的基础上，串连一项非线性函数便可实现，设计过程中需要合理的构造非线性函数。本文以大连海事大学实习船“育龙”号为例进行仿真研究，仿真结果表明非线性PID型控制比传统的PID型控制具有优越的动静态性能，鲁棒性能好。     

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。     

用神经网络控制器对小型帆船的航向控制

本文描述了一个简单的基于神经网络的小型帆船自适应舵的控制方案.该方案采用了两个简单的双层神经网络:一个使用在线的BP算法来学习未知的帆船动态;另一个则利用前一个所学到的知识来调整它的连接权系数和偏差权系数以产生控制信号.仿真结果表明,与仔细调整过的PID控制器相比较,神经网络控制器在航向保持上与PID近乎相同,但却具有好得多的鲁棒特性.     

基于速度选择切换型视线法的无人帆船循迹航行

[目的]风帆的力矩以及海浪作用会造成帆船相比其他形式的动力船舶更容易偏离期望轨迹,这便要求无人帆船的循迹航行算法具有较强的抗干扰能力。[方法]对实船进行等比例建模并通过VPP速度预测程序获得帆船在不同航向下的较大速度,提出一种无人帆船速度选择切换型视线法,在保证无人帆船依靠风力获取速度的同时,再利用切换型视线法使无人帆船的航向角收敛于期望航向角,从而使无人帆船可以快速不断地驶向期望航向点。[结果]Matlab对比仿真研究表明,速度选择型视线法具有偏航误差小、抗干扰能力强且收敛速度较快的优点。[结论]无人帆船在不同风向下的湖上试验验证了速度选择型视线法的可行性,结果具有一定的工程应用价值。     

基于指数函数非线性反馈的船舶航向保持控制

为研究船舶航向保持控制问题,本文以“育鹏”轮为研究对象,建立了其非线性Nomoto船舶模型,设计了基于闭环增益成形算法的指数函数非线性反馈控制器,并以“育鹏”轮的非线性模型为被控制对象,用Matlab的Simulink工具箱进行系统仿真研究。系统仿真结果表明,建立的非线性Nomoto数学模型精度良好,设计的控制器进行船舶航向保持控制时效果优异,并且更节能。使用这种方法设计的控制器,可以很好地进行船舶航向保持控制,对今后的船舶运动仿真和控制器的设计具有重要意义。     

模糊逻辑在舰船航向自动控制系统中的应用

分析了设计舰船航向自动控制系统时面临的问题,建立了描述舰船运动的六自由度模型,给出了以模糊逻辑为基础的舰船航向模糊控制系统框图,研究在随机变化的外部扰动作用下,考虑舰船数学模型复杂动态过程与非线性时,以航向误差和误差变化率为输人变量,以舵面位置变化为控制量的二维模糊控制器构成问题,给出了模糊调节器运行参数计算方法,针对舰船摇摆和保持航向最危险的情况给出了仿真结果。     

一种DVSC设计方法在舰船航向控制中的运用

运用变结构的理论和设计方法对舰船航向的问题进行离散变结构设计，对准滑动模态的存在条件进行了分析和研究，运用基于离散变速趋近律的变结构控制设计方法对舰船航向进行了研究和设计，运用仿真证明了设计的有效性。     

精确反馈线性化在船舶航向保持器上的应用

现有的船舶航向保持器的设计大都采用Nomoto线性模型，而忽略了船舶操纵运动的非线性因素，因此航向控制的精度比较低。选择状态反馈精确线性化方法，将响应型船舶运动的非线性数学模型进行线性化，再利用基于闭环增益成形算法的鲁棒控制器进行控制，然后在Maflab的Simulink下进行系统仿真，仿真结果表明，所设计的基于闭环增益成形算法的控制器比基于LQR的控制器具有更好的控制能力。     

基于新型滑动模态和观测器的船舶自动舵设计

设计一种新型准滑动模态船舶自适应自动舵,该自动舵可以克服模型参数未知和外界扰动,具有较强鲁棒性。为克服滑模面切换带来的抖振,在指数趋近律的基础上,提出一种新型的双曲正弦函数的指数趋近律,使轨迹的运动速度与轨迹和滑模面的距离相关联,实现自适应调节,使切换平缓;同时利用状态观测器对船舶模型参数及外界干扰进行观测,从而实现有效补偿;最后借鉴Backstepping方法设计船舶航向滑模控制器。通过对一具体船舶航向控制器的仿真,验证了上述方法的有效性。     

Modelling multiple yacht sailing interactions between upwind sailing yachts

An approach for enhancing the realism of yacht fleet race simulations based on a lifting line method is developed. The wake of an upwind sailing yacht is represented as a single heeled horseshoe vortex and image system. At each time step, changes in vortex strength are convected into the wake as a pair of vortex line elements. These subsequently move in accordance with the local wind, the self-induced velocity and the velocity induced by the presence of the wakes of other yachts. In addition, the lifting line model has a model for the viscous wake due to the drag associated with the yacht and its sails superimposed on it. A synthesis of sail yacht wake representations based on detailed 3D Reynolds-averaged Navier–Stokes computational fluid dynamics calculations with wind tunnel test results is used to capture the initial strength of the combined main-jib vortex system and its vertical height. The implementation of the lifting line algorithm within Robo-Race, a real-time yacht race strategy analysis tool, is described. Two upwind race interaction case studies are presented, and these show that the newly implemented wake model makes an important contribution to enhancing the realism of the sailing simulation.     

两种响应型船舶运动模型的对比及适用性分析

船舶运动模型作为自动舵性能检测平台的基础与核心，对于自动舵的研发、调试及船舶运动控制算法的设计都有非常重要的意义。现有的航迹航向自动舵检测平台普遍使用简化的一阶线性KT方程。由于忽略船舶回转运动中的纵向速度变化以及首摇角与横向速度之间的耦合，在实际使用中具有一定的局限性。本文引用国际电工委员会制定的航迹自动舵标准（ IEC62065）中提出的船舶运动模型，并对其进行仿真，将仿真结果与一阶线性KT方程的仿真结果进行对比分析，讨论一阶线性KT方程的适用范围。同时介绍改进的一阶非线性KT方程的形式并进行仿真试验，结果表明其与 IEC62065中非线性模型相似度较好，且减少了计算量。     

A study on improving the course-keeping ability of a pure car carrier in windy conditions

The course-keeping ability of a pure car carrier (PCC) in windy conditions is discussed in this article. Numerical simulations of two PCCs were carried out to compare their course-keeping abilities in wind. The two PCCs had the same hull form but different types of rudder. One PCC was fitted with a semispade rudder (hereinafter, the normal rudder), whereas the other was fitted with a spade-type Schilling rudder (hereinafter, the Schilling rudder). Both PCCs were designed to a new concept for the accommodation structure and hull form above the load water line. In this new design concept, there are no sharp corners in the superstructure so as to reduce wind resistance and improve steering performance. The limits of course keeping for the two PCCs were investigated through simulations. The course-keeping abilities of the two PCCs, each with two different types of autopilot system, were also investigated in wind. To develop the numerical simulation, the hydrodynamic coefficients of the two PCCs were predicted based on the data published for a third PCC having similar principal particulars. The numerical model of the two PCCs was validated by comparing its behavior with the respective full-scale trial results. Wind resistance coefficients were predicted by combining the results of wind tunnel experiments of the object PCCs and a regression model. Numerical simulations under steady wind conditions were also carried out and the results compared with some full-scale experiments to validate the mathematical model of the PCC.     

考虑外环境影响的船舶操纵模拟自动舵系统

自动舵系统是建立船舶操纵离线模拟模型所要解决的关键因素之一，本文给出了一种船舶操纵模拟自动舵系统，该系统可以对船舶出入港时受到的复杂载荷，如风，浪，流，限制性航道等做出合理反应，可以应用于船舶出入港操纵运动的离线模拟中。     

随机风浪下的游艇稳性可靠度计算

建立游艇横摇运动微分方程,利用马尔科夫过程理论和路径积分法进行求解,得到游艇横摇角概率密度函数。借鉴结构可靠性计算方法建立游艇稳性概率计算模型,采用当量正态化法(JC法)求解得到游艇稳性可靠度。实例计算表明:游艇在不同海域下的稳性可靠度存在一定差异,随着外界风浪增大,游艇稳性可靠度呈逐步下降趋势,且都存在一个快速下降的波高区间。该方法能够更科学地评判游艇在不同航行条件下的稳性状况,是游艇稳性横准研究的发展方向之一。     

Mike21-BW在游艇码头平面规划布置中的应用

随着国内游艇码头建设的不断增加,游艇码头港内泊稳条件得到了越来越多的关注。影响游艇码头港内泊稳的主要因素有防波堤的布置、防波堤的结构形式、港内护岸的结构形式等。基于MIKE21-BW模型,以长岛县南长山岛规划建设游艇码头为例,对游艇码头港区的两种布置方案、6个浪向作用下的港内泊稳情况进行了数值模拟。对比两种平面布置方案口门处及港内游艇泊位处波高,分析影响游艇码头港内泊稳的影响因素。结果表明,防波堤位置、口门处防波堤的结构形式及港内陆地护岸的结构形式对游艇码头港内泊稳条件有直接影响。