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基于粒子群算法模糊控制自动舵的研究与仿真

张雅妮  
【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。


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