船舶航迹跟踪控制系统设计与仿真(附件)【字数：12743】
近年来，由于海上交通运输的日益繁忙，人们越来越重视海上航行的的安全。在船用仪器中自动操舵设备是船舶航迹控制中的主要设备，它与船舶的航行安全以及航行的经济性密切相关，前人对此领域已经进行了深入研究，由此可见，船舶自动舵在船舶控制系统中的重要性。本文将分析实现船舶航迹跟踪控制的两种方案，研究航迹控制计算的方法、航迹误差的形成以及解析方法，再通过对船舶运动数学模型以及外界干扰数学模型的建立，为后期控制器的设计提供充分的理论依据，同时设计符合要求的控制器参数，并在下针对不同的航速以及一定程度下的外环境干扰做了仿真，仿真的结果表明设计的控制器的效果较好，并具有一定的抗干扰性，符合预期的要求。关键词自动舵；航迹控制；航向控制；PID控制
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 船舶航迹跟踪控制技术的发展及现状 2
1.3 国内外对自动舵系统的研究现状 6
1.4 论文的主要研究内容 7
第二章 船舶航迹跟踪控制方案的分析 8
2.1 航迹跟踪的实现方案 8
2.1.1 间接式控制方案 8
2.1.2 直接式控制方案 8
2.2 航迹控制的计算方法 9
2.2.1 航迹规划 9
2.2.2 航海计算算法的研究 9
2.3 航迹偏差的形成方法研究 12
2.3.1 航迹偏差形成的常规研究方法 12
2.3.2 航迹偏差形成的解析方法研究 14
2.4 本章总结 16
第三章 船舶运动的数学模型 17
3.1 坐标系和坐标系变换 17
3.1.1 NED坐标系 18
3.1.2 ECEF坐标系 18
3.1.3 BODY坐标系 18
3.1.4 BODY与NED间的互换[9] 19
3.1.5 ECEF与NED的变换 21
3.2 船舶运动的数学模型 23
3.3 控制器设计模型 26
3.4 外界干扰的数学模型 27
3.4.1 海流干扰 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 船舶航迹跟踪控制技术的发展及现状 2
1.3 国内外对自动舵系统的研究现状 6
1.4 论文的主要研究内容 7
第二章 船舶航迹跟踪控制方案的分析 8
2.1 航迹跟踪的实现方案 8
2.1.1 间接式控制方案 8
2.1.2 直接式控制方案 8
2.2 航迹控制的计算方法 9
2.2.1 航迹规划 9
2.2.2 航海计算算法的研究 9
2.3 航迹偏差的形成方法研究 12
2.3.1 航迹偏差形成的常规研究方法 12
2.3.2 航迹偏差形成的解析方法研究 14
2.4 本章总结 16
第三章 船舶运动的数学模型 17
3.1 坐标系和坐标系变换 17
3.1.1 NED坐标系 18
3.1.2 ECEF坐标系 18
3.1.3 BODY坐标系 18
3.1.4 BODY与NED间的互换[9] 19
3.1.5 ECEF与NED的变换 21
3.2 船舶运动的数学模型 23
3.3 控制器设计模型 26
3.4 外界干扰的数学模型 27
3.4.1 海流干扰 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
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数学模型 27
3.4.2 海风干扰的数学模型 28
3.5 本章小结 28
第四章 基于PID算法的自动舵设计与仿真 29
4.1 数字PID自动舵的介绍 29
4.2 数字PID自动舵的设计 30
4.3 PID自动舵的仿真 31
4.3.1 不同航速下PID自动舵的仿真 31
4.3.2 海浪干扰下PID自动舵的仿真 37
4.4小结 39
第五章 结论 40
参考文献 41
致谢 42
第一章 绪论
1.1 课题的背景及意义
船舶航迹跟踪控制是船舶航行过程中的一个重要环节。操舵者要时刻把握每个时刻船舶处于预期航线中的航向以及方位，由船舶当前的航向和方位，结合预期的航线计算航向、偏离误差，以计算结果来控制舵角让船舶按照预期规划的航线航行，这样才能保证船舶航行的安全及行驶路线符合预期要求。在航迹控制的过程中，最重要的是设计出性能良好、使用方便可靠的自动舵。
自动舵是船舶航迹跟踪控制中的主要组成部分，其主要功能为使船舶航向与所给指令反向一致，使得船舶航线指令航线的变化而变化。实现这两种功能分别由航向自动舵与航迹自动舵完成。在间接式航迹控制方案中，航迹自动舵是整个控制系统的重要环节。随着科技进步，人们开发出了更为先进的航向、航迹控制算法，日本东京纪琦（Tokyo Keiki）、美国思培利（Sperry）、德国的安修斯（Raytheon Ansehutz）公司都设计出先进可靠的自动舵设备。我国中船重工707研究所，北京海蓝信数据股份有限公司也将所设计的自动操舵产品投入市场。
德国（Ausehutz）公司设计生产出第一款航向自动舵到今天诸多现代化自动操舵设备的问世，自动操舵设备在船舶中的应用得到了普及和改善。目前自动舵的发展趋势为：结构上从以往的机电模拟控制朝着数字化计算机控制的方向发展；调节规律上以自适应控制、最优控制以及智能控制来取代原先的PID控制。航向自动舵正从简单的航迹控制设备转变成航迹控制系统及船桥综合系统的重要组成部分。
我国海域辽阔，海岸线附近暗礁遍布、水流复杂、加之船运繁忙，由于存在这些问题，所以需要性能可靠的自动操舵设备。但是国内对自动舵的研究起步较晚，与国外相比，我国的航向舵占据主导地位，仍未形成完整可靠的航迹自动舵，自然更没有自动导航系统和船桥综合系统。我国目前在航船上使用的比较成熟的是具有航迹控制功能的自适应操舵仪，与常规设备相比在自动舵和导航系统之间增添了航迹控制模块，集航向保持、航迹控制与导航定位于一体，不需要人员的
操作就能使船舶沿着预期航线自动航行。在控制理论的基础上，尽管国内相关专家提出了一些能解决问题方案，但是因为船舶航行控制的数学模型的非线性、自动操舵执行时存在的迟滞问题及航行环境干扰的不确定性，所以对应于模型的控制方案难以有效执行。国内外有关专家表示，智能控制方案对此类问题更为适用，因此将智能控制理论运用于我国船舶自动舵的设计来改善自动舵的性能，成为当下一个迫切的任务。
1.2 船舶航迹跟踪控制技术的发展及现状
在船舶控制系统中，实现船舶航向控制的自动操舵设备是很重要的一个环节。早在上个世纪20年代，科学家就着手于自动舵的研究，至今有4个发展阶段[1]：机械自动舵、比例积分微分（PID）自动舵、自适应自动舵以及现在的智能自动舵。
1. 机械自动舵
20世纪20年代，Minorsky和Sperry从数学角度以及陀螺罗经在船舶上的应用发表了论文， 可以将这两篇论文看作是对船舶自动舵最早的一个理论设想。一年后,Minorsky设计的自动舵在墨西哥的军舰进行了一次实践。那时以机械原理构建的自动舵,只能对航向进行很简单的控制,这种控制方法被现代人类称为比例控制。自动舵舵角的偏转的角度同船舶航向的偏航角度是线性相关的。比例控制的规律表示如下：
其中：：舵角；：航向；：偏航角；：设定航向；：比例常数（可根据船舶自身情况和外界环境自行设定）
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