船舶航向智能PID控制方法研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

本论文主要利用pid对船舶航向进行自动控制。船舶航向时,为了尽快到达目的地和减少燃料消耗,会尽量要求船舶作直线航行,这是航向稳定性问题。而当在预定的航线上发现障碍物或其他船只时,或者在很有限的航道内航行,必须及时改变船速和航向,这就是船舶航行的机动性问题。一般说来,航向稳定性好的船舶,其航向机动性就差。最常用的航向控制装置是船舶自动操纵仪,即通常所说的船舶自动舵。本论文主要利用智能pid算法,为船舶设计航向控制器,实现对船舶的航向控制,同时通过多组实验的方式改变控制器参数,从而研究控制器参数的选择与船舶航向控制效果之间的联系。

船舶航向由舵来控制,自动舵是船舶操纵控制系统中至关重要的设备。船舶航向自动舵的产生要追溯到20世纪20年代,到目前为止,历经了4个发展阶段,即机械式自动舵、pid自动舵、自适应自动舵和智能自动舵。从80年代开始,人们就开始寻找类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第4代的智能舵。目前已提出3种智能控制方法,即专家系统、模糊控制和神经网络控制。专家系统的关键技术是知识经验的获取与表示;模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型,它的算法简单,便于实时控制;神经网络具有非线性映射逼近能力以及自学习、自组织、自适应、分布存贮、联想记忆、并行计算等能力,它的缺点是理论不成熟、实时性差、硬件实现成本高等。由于这些方法都有各自的优点,因此,近年来自动舵的控制方法正向组合集成型方向发展,如与模糊控制结合、与神经控制结合、模糊控与神经控制结合、模糊控制与遗传算法结合、神经控制与遗传算法结合等。将智能控制引入自适应控制中,不仅扩展了自适应控制的范围,也为智能控制的实用化提供了一条有效途径。我国对自适应船舶操纵控制系统的研究,目前基本上还是针对传统的自适应控制展开。

自适应控制作为现代控制理论的一个重要分支,它的提出最初用于解决航空航天问题。然而受当时硬件技术与控制理论水平的限制,自适应控制在实际应用中并不很成功,因此也没有得到推广与应用。随着现代控制理论的蓬勃发展,尤其是稳定性理论、最优控制、随机控制、参数估计等一系列研究成果的出现,为自适应控制理论的形成与发展创造了条件。智能控制自二十世纪六十年代产生以来,发展十分迅速,特别是神经网络、模糊数学、专家系统、进化论等各门前沿学科的发展,给智能控制注入了巨大活力。智能控制是一种面向过程的控制,在控制过程中,智能控制具有2个不同于常规控制的本质特点:

(1)学习的功能。智能控制过程或智能控制器不仅是具有从外界获取并存储知识的本领,还能够不断积累经验,吸收好的控制策略,增强对环境的应变能力。

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2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容:近年来,随着船舶制造迈入大型化、专业化、高速化时代,船舶航向控制便成为了船舶操纵控制领域中一个热门的研究课题,国内外很多研究者都致力于不断推动船舶航向控制性能的发展。船舶航向控制是船舶运动控制的一个重要组成部分,主要包括航向保持和航向改变。pid控制简单、可靠、物理意义明显,目前仍被广泛地应用在实际工程控制中,在船舶上也多有应用,其中最重要的是船舶航向控制,随着人们对pid控制研究的深入,经典的pid控制逐渐发展成自整定pid控制、自适应pid控制、增益规划式pid控制、鲁棒pid控制等改进型算法,并在一定程度上克服了经典pid控制参数整定困难、适应性差、鲁棒性差和控制精度较低等不足。船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。船舶在海上航行,必然受到风浪等环境因素的影响,同时由于船舶自身的各种推动和控制的作用,会产生复杂的运动。船舶运动模型描述船舶在运动过程中对控制输入如舵角等的响应特性,了解和掌握船舶运动模型是对船舶进行操纵控制的前提条件,也是研究船舶操纵性能和设计自动舵的基础。本论文需要在matlab软件上建立船舶运动模型,并且设计一种智能pid船舶航向控制算法,结合模糊控制设计出模糊pid控制器用来控制船舶航向。模糊控制与pid算法的结合,设计一套模糊规则,根据航向偏差e和航向偏差变化率ec和模糊规则,将pid的三个参数模糊化,再根据pid型航向自动舵的控制律计算出舵角,通过舵角的变化模拟出船舶的航向,然后通过多组数据来观察船舶航向的变化。并基于matlab进行实验和仿真,与传统pid算法进行比较和分析,验证算法的有效性。

研究目标:选择一个适合的智能pid算法,本论文运用模糊pid算法,设计出船舶航向控制器实现对船舶的航向控制。通过实验改变控制器参数,观察控制器参数的选择与船舶航向控制效果之间的关系。

拟采用的技术方案及措施:本设计拟采用pid与模糊控制结合设计模糊pid控制器控制船舶航向。船舶在航行时,有两种状态,一是航向改变,一是航向保持。在航向保持阶段,要求船舶能准确无误地沿着预定的航线航行,不允许有累计误差,同时系统在各种干扰情况下要有良好的抗干扰能力,有较高的稳态精度。而基本的模糊控制器是由e和ec构成的模糊控制器,实际上为pd控制,总是存在控制死区,当模糊控制器的输入e和ec处于零或零附近时,其输出也为零,因而不具备消除稳态累计误差和常值、干扰引起误差的能力。为消除稳态误差,一般是采用模糊控制器控制的方法。在常规航向控制器的基础上,以航向偏差e和航向偏差变化率ec作为输入,采用模糊推理的方法对pid参数kp,ki,kd进行在线自整定,以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求,从而使被控对象具有良好的动态和静态性能。需要精确量的模糊化和模糊规则,将e,ec等在模糊集上的论域都定为[-6,6]。根据pid型航向自动舵的控制律,运用模糊推理的方法计算出的pid参数kp,ki,kd算出舵角,从而控制航向。采用模糊规则对pid的三个参数进行整定,设计出多组数据完成实验。采用模糊规则对pid的三个参数进行整定,设计出多组数据完成实验。

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3. 研究计划与安排

寒假期间以及第1-2周:完成对相关软件的下载和安装以及试用,下载阅读相关文献,整理对自身有关的资料并且撰写文献综述报告;

第3-4周:深度研究船舶操纵运动的数学模型,和智能pid控制算法相关理论,对题目本身有一个整体理解和思路,撰写开题报告;

第5-6周:建立船舶平面运动数学模型,并基于matlab实现;

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4. 参考文献(12篇以上)

丁杭成.船舶航向智能pid控制算法研究[d]. 大连海事大学, 2010.

张薇.船舶运动智能pid控制研究[d]. 哈尔滨工程大学, 2009.

刘宏达, 李殿璞, 马忠丽. 一种新型船舶航向智能pid控制器优化设计[j]. 船舶工程,2007,29(4):36-39.

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