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基于粒子群算法模糊控制自动舵的研究与仿真

作　者: 张雅妮
导　师: 周卫东
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 船舶自动舵 PID控制模糊控制粒子群算法参数优化
分类号: U664.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 119次
引　用: 2次
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内容摘要

船舶航向自动舵是船舶控制系统中不可缺少的重要设备,用来保持船舶在给定航向或航迹上航行。随着对航行安全及营运需求的增长,对自动舵精确控制的要求也日益提高。本文结合PID控制,模糊控制,粒子群优化算法等研究船舶航向的控制跟踪问题,具有重要的理论及实际意义。船舶操纵运动模型是研究船舶自动舵控制的基础,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。因此本文在分析船舶运动及其干扰力作用的情况下,建立了船舶航向控制系统的简化数学模型,并同时给出了风、浪、流的干扰模型。以船舶运动的简化模型为研究对象,设计了船舶自动舵的PID控制器和模糊PID控制器。给出了PID控制器的参数调节方法,并仿真分析了控制器的性能。在此基础上,设计模糊PID控制器,以航向的误差和误差变化为模糊控制器的输入,船舶舵角为输出,通过调节输入输出论域、隶属度函数曲线,模糊控制规则等来提高控制器的性能,对“育龙号”船舶模型的仿真表明了所设计控制器的有效性。介绍了粒子群算法的基本原理及算法实现流程。给出了常用的四个经典测试函数,并仿真得到函数的三维图。利用测试函数对粒子群算法进行仿真,结果表明该算法具有较强的全局寻优能力。以所设计的模糊PID控制器为基础,研究基于粒子群算法的控制器参数优化问题。给出了粒子群算法优化控制器参数的一般步骤和流程图。经过算法的参数寻优,控制器效果显著提高,超调量大幅度减小,明显优于传统的PID控制器和依据经验调节的模糊PID控制器。仿真结果表明:采用粒子群算法优化模糊PID控制器参数能够提高控制器的性能,实现对船舶自动舵的精确控制。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 选题的背景和意义  10-11
  1.2 船舶自动舵设计历史和发展方向  11-15
    1.2.1 机械式自动舵  11
    1.2.2 PID 自动舵  11-12
    1.2.3 自适应自动舵  12-13
    1.2.4 智能自动舵  13-15
  1.3 模糊控制在自动舵应用中的研究现状  15-16
  1.4 本课题的主要工作  16-18
第2章船舶运动及干扰数学模型  18-27
  2.1 船舶运动的数学模型  18-21
    2.1.1 坐标系与运动学变量  18-19
    2.1.2 船舶操纵运动方程的建立  19-20
    2.1.3 舵机特性计算模型  20-21
  2.2 船舶运动干扰力的数学模型  21-24
    2.2.1 海风的干扰力数学模型  21
    2.2.2 波浪的干扰力数学模型  21-22
    2.2.3 流的干扰力数学模型  22-24
  2.3 船舶航向控制系统数学模型  24-26
    2.3.1 航向控制系统数学模型的建立  24-25
    2.3.2 外界干扰下的船舶航向控制系统数学模型  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章船舶自动舵的模糊控制  27-42
  3.1 PID 自动舵的设计及仿真  27-32
    3.1.1 PID 控制原理  27-29
    3.1.2 PID 自动舵的设计  29-30
    3.1.3 PID 航向自动舵的仿真  30-32
  3.2 模糊控制自动舵的设计及仿真  32-41
    3.2.1 模糊控制的基本原理  32-33
    3.2.2 模糊控制器基本结构  33-35
    3.2.3 船舶自动舵模糊控制器的设计  35-37
    3.2.4 船舶自动舵模糊控制仿真结果  37-41
  3.3 本章小结  41-42
第4章粒子群算法及其仿真测试  42-55
  4.1 基本粒子群优化算法  42-45
    4.1.1 算法原理  42-43
    4.1.2 算法数学描述  43-44
    4.1.3 算法基本流程  44-45
  4.2 改进的粒子群算法  45-47
  4.3 基准测试函数  47-51
  4.4 粒子群算法的测试  51-54
  4.5 本章小结  54-55
第5章基于粒子群算法的自动舵模糊控制  55-63
  5.1 基于粒子群算法的模糊控制方法  55-58
    5.1.1 粒子群算法与遗传算法的比较  55-56
    5.1.2 基于粒子群算法的模糊PID 寻优结构  56-57
    5.1.3 粒子群算法的寻优步骤  57-58
  5.2 基于粒子群算法的船舶自动舵模糊控制  58-61
    5.2.1 模糊PID 控制器参数优化实现过程  59-60
    5.2.2 仿真结果及分析  60-61
  5.3 本章小结  61-63
结论  63-64
参考文献  64-70
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  70-71
致谢  71

基于粒子群算法模糊控制自动舵的研究与仿真

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