欠驅(qū)動(dòng)船舶水面的非線性數(shù)學(xué)模型及跟蹤控制.pdf

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1、第37卷第5期2015年5月艦船科學(xué)技術(shù)SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYV01.37,No.5May,2015欠驅(qū)動(dòng)船舶水面的非線性數(shù)學(xué)模型及跟蹤控制趙越(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京211170)摘要:以欠驅(qū)動(dòng)船舶水面的跟蹤控制為研究對象,介紹船舶的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程建模,以及船舶在水平面上3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)方程,并且對船舶可能受到的風(fēng)、浪、流等干擾進(jìn)行分析。最后,提出一種自抗擾船舶航向控制方法,在該方法中,運(yùn)用遺傳算法對控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該自抗擾控制方法具有較高的抗干擾能力和較強(qiáng)的魯棒性。關(guān)鍵詞:欠

2、驅(qū)動(dòng)水面船舶;數(shù)學(xué)模型;跟蹤控制中圖分類號:U665.26文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672—7649(2015)05—0192—04doi:10.3404/j.issn.1672—7649.2015.05.044NonlinearmethematicalmodelandtrackingcontrolstudyforunderactuatedmarinesurfacevesselsZHAOYHe(CollegeofNavigationTechnology,JiangsuMaritimeInstitute,Nanjing211170,Chi

3、na)Abstract:Inthispaper,thetrackingcontrolproblemforunderactuatedsurfacevesselswasstudied.First,themotionmodelandequationmodelingmovementoftheshipwasintroduced.Second,theshipmotionequationsatthreedegreesoffreedominthehorizontalplanewasintroduced,andtheinterferencefactors

4、suchaswind,waveandflowwereanalyed.Finally,thispaperproposedaADRCcontrolmethod,inthismethod,geneticalgorithmwasusedtooptimizethecontrolparameters.Thesimulationresultsshowthatthismethodhavehighanti—interferenceabilityaandhacegoodrobustness.Keywords:underactuatedsurfaceship

5、s;methematicalmodel;trackingcontrol0引言隨著海上經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的繁榮和發(fā)展,海上交通環(huán)境日益復(fù)雜。比如,船舶數(shù)量的不斷增加,使得航道水域越來越擁擠;船舶的大型化以及高速化,使得航行安全問題越來越突出。因此,研究船舶航行軌跡與航行方向的控制問題對于保證航行安全具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義?。準(zhǔn)確、高效的航向與航跡控制,能夠大大地減輕船員的勞動(dòng)強(qiáng)度,縮短船舶的航行距離,節(jié)約船舶燃料動(dòng)力的消耗。在本文中,以欠驅(qū)動(dòng)船舶的運(yùn)動(dòng)控制為研究對象,對船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,風(fēng)、浪、流等干擾因素的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究學(xué)習(xí),提出了一種基于遺

6、傳算法的自抗擾跟蹤控制方法。l船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型1.1運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系在船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型中,通常要考慮到船舶位置、船舶運(yùn)動(dòng)以及船體受到的外力作用等問題,因此,在船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型中要采用慣性坐標(biāo)系和附體坐標(biāo)系心‘3],分別用來描述船舶位置情況和船體運(yùn)動(dòng)和受力情況,如圖1所示。收稿日期:2014—10一18;修回日期:2015—01—16作者簡介:趙越(1977一),男,碩士,講師,研究方向?yàn)榇安倏v與避碰技術(shù)。第5期趙越:欠驅(qū)動(dòng)船舶水面的非線性數(shù)學(xué)模型及跟蹤控制·193·魄∈,t/1、///\/飛/}h—j·‘‘2’圖1坐標(biāo)系示意圖Fig.

7、1Coordinatesystemschematicdiagram圖1中,慣性坐標(biāo)系為x。y0Z。0。,其中凰為正北方向(單位向量:i。);Yo為正東方向(單位向量:J。);Z。為地心方向(單位向量:后。);附體坐標(biāo)系為xyzo,其中戈為船頭方向(單位向量:i);Y為右舷方向(單位向量:J);彳為龍骨方向(單位向量:k)。在慣性坐標(biāo)系中,設(shè):以0為參考點(diǎn)的平動(dòng)速度為Vo;穢為前進(jìn)速度;u為橫移速度;塒為垂蕩速度;以0為參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為力;p為橫搖角速度;q為縱搖角速度;i為首搖角速度;則:Vo=ui+巧+wk,力=pi+q『+r.

8、

9、}。在慣性坐標(biāo)系中,設(shè)K在x。軸、y0軸與磊軸方向分別表示為u、y與肜,則:Vo=Uio+‰+Wko。2個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系為:卦圳,【塒JH=Tnlql?!緍J式中:X。,Y0,Z。為慣性坐標(biāo)系中的位置向量導(dǎo)數(shù)

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