船舶航向不对称信息理论与非线性逆推鲁棒控制算法

应用不对称信息理论和鲁棒控制算法简化非线性逆推算法,针对非线性船舶航向保持系统,设计了其Backstepping逆推控制器,由非线性函数项和常规线性控制器组成,将简化的Back-stepping法与闭环增益成形算法相结合,设计其非线性鲁棒控制器。通过非线性鲁棒控制器的控制能够使船舶无超调、无静差地跟踪设定航向,调节时间为600 s,符合船舶航行的实际情况,控制效果良好;当系统增加干扰后,系统的控制输出除了因干扰产生的抖动外,其跟踪性能仍然较好,航向输出无静差,说明控制器具有一定的鲁棒性;是否全部对消非线性项,对其控制效果相差不大,说明当模型发生参数摄动时,系统的控制性能仍能保证。     

暖通空调系统的新型模糊自调节PID控制

针对暖通空调系统中由于存在高度非线性,外部扰动,多变量等因素而难以控制的现状,提出一种利用模糊控制器的解析表达式实时调节PID控制器各参数的新型模糊PID控制算法。闭环系统中的模糊模型在发挥控制作用的同时,作为调节器实现了对PID控制器各参数的在线自适应调节,并且给出了具体控制算法设计。仿真结果表明与传统PID控制器相比,这一新型模糊PID控制器具有超调量小,调节时间短,鲁棒性强等优良的控制性能。     

基于模糊控制理论的船舶动力定位系统的研究

本文建立了船舶定位系统的数学模型,并设计了系统的模糊控制器。通过仿真得出如下结论:基于Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型设计动力定位船舶控制器响应时间,上升时间短,超调率低,具有一定的抗干扰能力,有较强的鲁棒性,具有良好的控制品质。     

带有干扰观测器的欠驱动船舶路径跟踪非线性模型预测控制

针对欠驱动船舶提出了一种非线性路径跟踪控制器,使其能够在风、浪、流等环境干扰下驶入预定的航行路径.欠驱动船舶以恒定前进速度航行,并且其合速度与参考轨迹相切.该控制器的设计使用了解析模型预测控制和干扰观测器技术,其中非线性观测器用来估计环境干扰.在最优路径跟踪控制器的作用下,路径跟踪误差渐近收敛到零.数值仿真结果验证了该控制器的有效性.     

基于遗传优化径向基神经网络的船舶航向控制

设计了一种基于遗传算法优化径向基神经网络的船舶智能自动舵.针对船舶航向控制过程中的非线性和不确定性,将RBF网络直接逼近船舶模型内部不确定项和外界扰动,借助李雅普诺夫理论推演控制系统渐进稳定.利用遗传算法对径向基神经网络进行优化提高逼近性能.对比仿真结果显示,同等条件下,上述控制器较一般自适应控制和模糊PID控制系统稳定时间普遍快40%,平均超调量缩小100%,控制输入舵角进一步平滑稳定,且船舶航向对船舶内外部干扰不敏感.     

基于线性矩阵不等式的船舶动力定位滑模控制

为了解决具有非线性和环境干扰的船舶动力定位系统的控制问题, 提出了一种基于线性矩阵不等式的滑模控制算法; 将跟踪误差设计为滑模函数, 设计线性矩阵不等式, 求解状态反馈增益; 基于二次型Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性; 设计切换函数, 使系统对不确定性和外加干扰具有较强的鲁棒性, 避免出现抖振现象; 对基于线性矩阵不等式的滑模控制器进行仿真, 计算出动力定位船舶在无扰动的匀速运动和有外界环境扰动的变速运动2种不同情况下的前进速度、横荡速度、艏向角速度、前进加速度、横荡加速度、艏向角加速度、前进控制力、横荡控制力和艏向控制力矩等; 分析了状态反馈增益线性矩阵、边界层、切换项增益等参数对控制性能的影响。研究结果表明: 采用基本滑模控制使前进速度达到期望值所需的上升时间为29s, 而新算法为15s, 节约了48.28%;采用基本滑模控制使横荡速度达到期望值所需的上升时间为24s, 而新算法为14s, 节约了41.67%;采用基本滑模控制使艏向角速度达到期望值所需的上升时间为13s, 而新算法为10s, 节约了23.08%。可见, 设计的控制器对有非线性和环境干扰的船舶动力定位系统都具有较强的鲁棒性, 具有控制输入连续、控制抖振小、不存在过高增益等特点。      

基于动态面控制的船舶动力定位控制律设计

针对水面船舶动力定位控制问题,考虑带有未知界的时变环境扰动,将动态面控制技术与矢量逆推方法相结合,设计了船舶动力定位系统的自适应鲁棒非线性控制律。引入动态面控制技术,利用一阶滤波器的微分项代替虚拟控制矢量的微分项,使得在控制律设计过程中的微分运算被简单的代数运算所替代,简化了计算,易于工程实现。为阻止自适应参数漂移,采用包含基于σ-修正泄漏项的自适应律估计未知扰动的界。应用Lyapunov函数证明了所设计的控制律能迫使船舶的位置和艏向角达到并保持在期望值,保证船舶动力定位闭环系统中所有信号最终一致有界。仿真结果表明：在水平面上,当船舶初始位置偏离期望位置25 m 时,利用设计的控制律能迫使船舶在50 s内达到期望的目标位置,因此,所设计的控制律是有效的。     

大功率空冷自增湿PEMFC温度控制方法

为研究大功率空冷自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC)温度控制对电堆输出性能的影响,分别采用模糊控制、PID控制、模糊-PID切换控制、自适应模糊PID控制对电堆进行试验测试.实验结果表明,不同控制方法在负载变化时的动态响应特性存在较大差异:模糊控制对电堆输出性能影响较大,在大电流输出时会造成明显的浓差极化;模糊控制、PID控制、模糊-PID切换控制在负载变化时动态响应存在较大的超调量,调节时间长;模糊自适应PID控制超调量小,调节时间短.与PID温度控制相比,自适应模糊PID温度控制超调量降低了75%,调节时间加快了20%.综合考虑调节时间、超调量、稳态误差、电堆输出性能等因素,自适应模糊PID温度控制有利于提高大功率空冷自增湿PEMFC输出特性.      

船舶主机缸套冷却水温度灰色预测模糊PID控制

针对船舶主机缸套冷却水温度控制系统的大惯性、纯滞后和时变性特点,提出了将等维新息灰色预测控制与模糊自调节PID控制相结合的新型控制策略,这种控制器可根据系统预测误差和变化率自动调整控制器参数,使控制器对系统响应具有适应性。仿真结果表明:灰色预测模糊PID控制比常规的PID控制与模糊PID控制有更多的优越性,自适应能力强,超调适中,具有更好的动、静态特性。     

基于模糊神经网络的滑模变结构控制方法的研究与实现

针对交流传动不确定非线性复杂系统,结合滑模变结构和模糊神经网的优点,提出了一种模糊神经网络滑模变结构的跟踪控制方法.采用等值控制型切换超平面设计滑模变结构控制系统,使用模糊神经网络系统自适应调节切换增益,得到模糊神经网络滑模变结构模型跟踪控制器.仿真结果表明,所设计的控制器不但能使被控对象较好地跟踪参考模型,而且对系统的不确定性具有不变性,保证了被控系统在整个控制阶段都具有较强的鲁棒性.     

Adaptive path following controller of underactuated ships using serret-frenet frame

This paper presents an adaptive path following control law to steer underactuated ships along a predefined path at a constant forward speed with uncertain parameters due to changes of added mass matrices. The proposed controller is based on analytic model predictive control and model reference adaptive control. The Serret-Frenet frame is used to describe the ship dynamics. The analytic model predictive control provides a systematic method rather than try-and-error method to get appropriate control parameters to guarantee the stability of the closed-loop system, and the well-defined relative degree is guaranteed by introducing output-redefinition. An identification algorithm based on model reference adaptive control is used to identify the uncertain parameters. Numerical simulations are provided to demonstrate the validity of the proposed control law.     

融合稳定性的高速无人驾驶车辆纵横向协调控制方法

提出了一种纵横向协调控制的路径跟踪控制方法; 建立了车辆预瞄误差模型和考虑路面地形的高速车辆等效动力学模型, 以此引入道路曲率地形因素; 基于模糊规则设计了预瞄距离发生器, 解决预瞄误差模型中固定预瞄距离的问题; 建立了预测时域与道路曲率的函数关系, 运用模型预测控制算法求解前轮转角, 从而建立路径跟踪控制器; 运用指数模型表示车辆期望车速, 设计了比例积分微分纵向控制器控制车速以改善路径跟踪精度; 运用质心侧偏角相平面图表征车辆稳定性特征, 设计比例积分微分稳定性控制器以改善车辆稳定性。研究结果表明: 提出的控制方法能在不同附着系数路面上对车辆跟踪性能进行优化, 在干燥沥青路面以车速90 km·h-1行驶时, 与只运用模型预测控制算法进行路径跟踪控制的车辆相比, 最大横向误差可减少33%;在潮湿沥青路面以车速70 km·h-1行驶时, 与只运用模型预测控制算法进行路径跟踪控制的车辆相比, 最大横向误差可减少30%;在冰雪路面以车速55 km·h-1行驶时, 与只运用模型预测控制算法进行路径跟踪控制的车辆相比, 最大横向误差可减少16%。可见, 所提出的控制方法能有效改善路径跟踪精度。      

Path following control of underactuated ships based on unscented Kalman filter

A path following controller is proposed to force an underactuated surface ship which is suffering from disturbance to follow a predefined path.The controller is based on analytic model predictive control and unscented Kalman filter(UKF) techniques.The analytic model predictive control provides a systematic method to get appropriate controller parameters to guarantee the stability of the closed-loop system,and the well-defined relative degree is guaranteed by introducing output-redefinition.The UKF is used t...     

基于在线有向无环图的船舶轨迹压缩算法

为了解决船舶轨迹数据的压缩问题, 提出了一种船舶轨迹在线压缩算法; 使用多次滑动推算船位判断方法清洗船舶轨迹, 使用在线有向无环图在干净轨迹上建立压缩路径树并输出采样点; 为了提高轨迹队列和路径树在内存中的查询速度, 使用哈希表对其进行管理; 为了验证提出算法的效果, 比较了真实船舶自动识别系统数据与方向保留算法、道格拉斯-普克算法的压缩时间和误差, 采用可视化方法分析了原始轨迹、清洗轨迹和压缩轨迹。试验结果表明: 在压缩时间方面, 方向保留算法和道格拉斯-普克算法的压缩时间分别约为提出算法的1.1、1.3倍, 说明提出的算法比其他2种算法的处理时间更短; 提出的算法在压缩过程中保留了时间信息, 平均同步欧氏距离误差在任何压缩率下都能保持在10 m以下, 最大同步欧氏距离误差在压缩率为1%时仅有127 m, 而其他2种算法的平均同步欧氏距离误差和最大同步欧氏距离误差不受控制, 会随机变化; 在垂直距离误差方面, 提出的算法与道格拉斯-普克算法在压缩率不小于5%的条件下, 都能保证垂直距离误差小于20 m, 而方向保留算法的垂直距离误差会随机变化; 在显示效果方面, 提出的算法能有效清除轨迹噪声点, 压缩轨迹能够较好地代表原始轨迹的宏观交通流情况。可见, 提出的算法能更高效地保留原始轨迹的形状和时间信息。      

Robust Fuzzy Sampled-Data Control for Dynamic Positioning Ships

A robust H∞sampled-data stabilization problem for nonlinear dynamic positioning(DP) ships with Takagi-Sugeno(T-S) fuzzy models is discussed in this paper. Input delay approach is used to convert the sampleddata DP ship system to a fuzzy system with time-varying delay. Adequate conditions are derived to determine the system's asymptotical stability and achieve H∞performance via Lyapunov stability theorems. Then, the fuzzy sampled-data controller is obtained by analyzing the stabilization condition. Simulation result shows that the proposed method and the designed controller for a DP ship are effective so that the DP ship can maintain the desired position, heading and velocities in the existence of varying environment disturbances.     

基于朴素贝叶斯算法的船舶异常行为监测

随着海事事故与海上违法行为的不断增多,智能的监控方法成为降低海事事故,打击海上违法行为的有效手段.同时,船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)的普及及船舶交通管理系统(Vessel Traffic Service,VTS)的扩建,又为智能监控提供了数据支持.鉴于此,利用船舶自动识别系统提供的数据,分析通航水域船舶信息的分布情况,根据其概率分布采用朴素贝叶斯算法,从船舶航速、航向及距航道边界距离3个方面,构建船舶异常行为检测模型.最后,以成山角通航水域为例,检验模型的有效性.实验结果表明,构建的模型能够有效地完成异常行为监测,减少海事监管人员的工作强度,同时根据实验结果分析了成山角水域船舶航行的特点,并对成山角定线制提出合理化建议.     

船舶进出港低速航向保持

为了在船舶进出港时,船舶处于浅水域并以低速航行,在风、浪等强扰动作用下,增强航向控制性能,减小能源损耗,选择三阶Nomoto模型,将航速和水深变化反映到模型参数的变化上,基于闭环增益成形算法设计出一种具有适应性的鲁棒PID控制器,建立基于风、浪干扰的非线性船舶运动数学模型,并用S函数来实现。用PID控制器对非线性船舶运动数学模型进行控制,在Simulink环境中对各种水深、船速及海况进行航向控制仿真。从仿真曲线可看出其航向跟踪效果良好,静差为0,且施舵合理,所设计的控制器对非线性船舶运动数学模型具有良好的控制性能。