基于广义预测控制算法的水面无人船航向控制器设计

作     者：周浩 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周新民

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：无人船 航向控制 PID 广义预测控制 Mamdani模糊算法 

摘      要：在船舶行业的发展中,无人船凭借其全方位信息化、无人化、智能化等特点,成为未来船舶发展的必然趋势。无人船技术最早兴起于国外,首先运用在军事领域,但近年随着无人船技术的普及和发展,无人船技术在各领域的应用也变得广泛起来,如水环境监测、海上交通、应急救援、巡逻侦查等。水面无人船的核心部分是它的航行控制器,它的主要功能是控制和优化无人船的运动姿态及状态,完成无人船在各种航海情况下的工作使命,按照系统规划生成的目标航向、航迹等指令,通过系统中的控制算法计算和拟合,最终给出每一时刻无人船的舵角控制信号、航速控制信号。本论文在进行航行控制器的设计时,考虑到无人船在同一工况下的航速基本保持为恒定状态,因此只针对航向控制器进行研究和设计。在航向控制器设计之前,首先采用适当的方法对无人船建立运动数学模型,同时考虑到实际情况下无人船运动会受到风浪流的影响,从而对风浪流的干扰进行数学建模。针对传统PID控制器在无人船航向控制系统中表现出抗干扰能力弱、控制精度低等问题,本论文航向控制器采用广义预测控制算法进行设计,首先建立相应的状态空间模型,然后建立基于Mamdani模糊推理的航向优化控制器,我们根据内部模型结构,对系统未来航向的输出状态进行预测,对得到的输出误差加入反馈校正,将其与参考输入值进行比较,应用Mamdani模糊算法进行滚动优化,然后再计算当前时刻应加于系统的控制动作,完成整个控制循环。航向控制器的航向反馈值采用卡尔曼滤波器进行信号滤波后再输入至状态空间模型中,由此完成整个航向预测控制器的设计,即对给定的航向控制指令的输出结果进行预测,然后根据比较结果对控制指令进行优化,提高航向控制器的控制能力。本论文在考虑风浪流干扰的条件下对无人船的航向控制器进行设计,仿真结果表明,与传统PID航向控制器相比,基于广义预测控制算法的航向控制器具有控制精度高、稳态误差小、鲁棒性好等特点。