船舶航向动态滑模变结构控制研究

【摘要】：计算机仿真技术随着信息技术及电子技术的飞速发展以及计算机技术的普遍应用越来越引起人们的关注。同时随着港口日趋繁忙和航运业的发展，对船舶航行的经济型和安全性要求不断提高，所以当今的重要课题之一就是研究和设计高精度的船舶航向控制系统。在船舶航向控制系统中自动舵起着举足轻重的作用。本文在考虑外界干扰情况下，建立了干扰模型和包含舵机特性的船舶航向控制模型，对船舶航向控制算法进行了研究，最后把以上的研究内容运用到实际的半实物仿真平台进行了实时性测试。 本文首先根据船舶学理论建立了海风、海浪和海流的干扰力模型，基于谱分析理论对海风和不规则波进行了仿真研究。其次根据实船操纵性指数T和K建立了船舶运动模型。同时根据船舶自动舵的发展分别设计了PD型自动舵和PID型自动舵，并对PID型自动舵进行了仿真。仿真结果表明，当船舶的航行速度发生变化后，传统的PID控制策略无法保证船舶按照预定的航线航行，甚至无法满足系统的稳定性，故传统的控制方法无法自适应满足船舶控制的要求。依据以上存在的问题，结合舵机的特性和船舶运动模型原理设计了控制系统，并利用非线性系统线性化理论把以上的控制系统处理为易于设计控制器的标准形式。然后运用动态滑模变结构控制理论研究出动态滑模控制器，并在matlab仿真平台上进行了测试。测试结果表明，系统的相应不仅具有快速性、稳定性和很强的鲁棒性，而且有效的抑制了抖振。最后利用研华工控机、DSP控制器、数据采集卡等硬件设备在MATLAB/RTW环境下建立了柴油机实时仿真平台，利用iFIX组态软件建立了上位机和CAN总线进行通信，最终实现了船舶自动舵系统运行状况的实时监控。 本文的研究工作为后期的投入工业生产打下了基础，更为重要的是提出了一种实现船舶自动舵航向控制较为先进的控制策略，为后继研究者提供了理论和技术支持，缩短了开发周期，对船舶自动舵技术的发展必将起到积极的推动作用。