船舶路径跟踪与减横摇综合控制研究

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1、申请上海交通大学工学博士学位论文船舶路径跟踪与减横摇综合控制研究学科专业：船舶与海洋工程作者姓名：刘程指导教师：邹早建教授上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院2015年10月9日ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringIntegratedControlofPathFollowingandRollMotionReductionforMarineVesselsMajor:NavalArchitectureandOceanEngineeringPh.D

2、.Candidate:LIUChengSupervisor:Prof.ZOUZaoJianSchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineeringShanghaiJiaoTongUniversity9October2015上海交通大学博士学位论文摘要摘要船舶是海洋运输的重要载体，在执行海上运输任务时，有效地控制船舶运动可以减轻舵手的工作强度，缩短航行距离，节省燃料，以及保证航行安全。因此船舶运动控制对高效、安全地完成运输任务具有重要的意义。船舶运动本身具有大惯性、大时滞和强耦合性的特点；而且，船舶运动数学模型会随着航行状态（航速、航向等）和外界环

3、境（风、浪和流等）条件的变化而变化。这些特点使得船舶运动控制成为一个强非线性、不确定性、受约束限制的控制问题。因此，研究船舶运动控制具有重要的理论意义。另外，从控制目标的角度分类，船舶航向控制、路径跟踪控制属于船舶低频运动控制，而减横摇控制属于船舶高频运动控制。在以往的研究中，绝大多数学者都将船舶路径跟踪与减横摇控制作为两个单独的控制问题分开研究。而实际上，当船舶在波浪中航行时，船舶艏揺运动与横摇运动是同时发生、相互影响的。因此，综合研究船舶路径跟踪与减横摇的控制方法具有重要的现实意义。本学位论文的研究工作主要包括四部分内容：船舶航向控制，船舶路径跟踪控制，基于舵的船舶路径跟踪与减横摇控制，

4、以及基于舵、鳍联合的船舶路径跟踪与减横摇控制。除了船舶运动控制的共性特点，不同的运动控制问题也有其个性特点。根据不同的运动控制问题的特性，本论文采用了不同的控制理论方法。论文的第一部分内容（第3章）是船舶航向控制研究，包括航向保持和转向控制。控制输入为舵角，控制输出为船舶艏向，是一个单输入单输出（SISO：SingleInputSingleOutput）的控制问题。相对于本论文研究的其他船舶运动控制问题，船舶航向控制相对比较简单，很多学者都为船舶航向控制研究做出了贡献，而本论文以此为对象开展研究的原因有以下两点：（1）因为船舶航向控制相对简单，所以多种经典控制方法可以直接应用，本文将船舶航向

5、控制作为一个实例，说明了多种经典控制方法的设计、应用过程；（2）在以往的航向控制研究中，大多数学者都是针对一种方法，验证其有效性，并没有在同一仿真环境中对采用多种不同控制方法所设计的控制律进行仿真、对比，而本论文分别采用多种经典的控制方法设计了不同的控制律，并对多种控制律的控制效果进行了综合的对比、分析，说明了不同方法的优劣，据此可以了解不同控制方法的特点，为之后研究其他三个相对复杂的问题做理论准备。在这一部分的研究中，本论文首先建立了本论文得到国家自然科学基金（51279106,51179019），教育部高等学校博士点专项科研基金项目（20110073110009）与中国留学基金委资助

6、-I-上海交通大学博士学位论文摘要简化的船舶航向控制器设计模型，基于此模型，分别应用滑模(SM:SlidingMode)方法、综合后推(Backstepping)与神经网络(NN:NeuralNetwork)方法(Ne-backstepping)以及模型预测控制(MPC:ModelPredictiveControl)方法设计了船舶航向控制律，给出了控制律的设计、推导过程。比例-积分-微分(PID:ProportionIntegrationDifferentiation)方法依然是当前实践中最常用的方法，因此在此部分中将应用PID方法设计的控制律的控制效果作为基准（benchmark）效果；此

7、外，因为MPC方法与LQR（LinearQuadraticRegulation）都属于优化控制方法，为了说明MPC的优势，本论文也应用LQR方法设计了控制律。利用一个高精度的4自由度(DoF:DegreesofFreedom)模型作为仿真模型，分别在有、无外界干扰的情况下，对上述5种控制律(SM,Ne-backstepping,MPC,PID,LQR)进行了对比仿真，给出了仿真结果，对不同控制律的参数进行了分