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船舶航行自抗扰控制器的研究与实现

黄健  
【摘要】: 船舶航行控制器是重要的船舶操纵设备,其性能的好坏直接关系到船舶航行的经济性、安全性和舒适性。由于船舶的动态特性具有大惯性、大时滞、非线性等特点,而且还受到大负载变化和风、浪、流等各种干扰的影响,使得传统PID船舶航行控制器难以达到很好的控制效果。针对这种情况,本文试采用自抗扰控制技术解决船舶航行控制的鲁棒性问题。 自抗扰控制技术是一种新型非线性控制方法,在一类模型不确定系统中已得到良好的控制效果。该方法用扩展状态观测器估计出系统所受实时总和干扰,包含内部动态和不确定外部干扰,通过动态补偿线性化方法把系统变成积分器串联型系统,然后用非线性误差状态反馈完成一类模型不确定对象的控制。 本文首先介绍了船舶航行运动数学模型,给出并分析了风、浪、流的等效干模型,最终选择带有舵机非线性特性的Bech模型作为本文的仿真研究对象。然后在分析经典PID控制器优缺点基础上,介绍了跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈的基本原理,并给出了自抗扰控制器的标准结构。针对带舵机非线性特性的Bech模型,本文将使用三阶自抗扰控制器作为船舶航行自抗扰控制器。 本文采用经NCD优化过的船舶航行PID控制器与船舶航行自抗扰利控制器进行对比仿真研究。结果表明,相对于优化PID,船舶航行自抗扰控制器,在航向保持、航向改变、外界低频干扰、参数摄动、模型改变等条件下有更好的控制效果。 最后给出了船舶航行自抗扰控制器和部分外围器件的硬件设计,为下一步研究提供了基本的硬件平台,为船舶航行自抗扰控制器从理论转化成产品做了些铺垫。


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