（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船舶适航性与操纵性自航模系统设计.pdf

j c a n d i d a t e ：z h a oy a n g s u p e r vis o r ：p r o f x uy u r u a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a l a r c h it e c t u r ea n do c e a ns t r u c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y fil l lll l f 8 7 8 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 意识到本声明的法律结果由本 作者( 签字 日期： 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 母往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由 作者( 日期：矽d 年弓月厂日矽碑弓月肢日 壶c 穴1 v c 6 0 的环境下建立了模糊p i d 控制器的运动控制仿真环境，并基于串口通 信模拟控制指令下达和信息反馈，对自航模进行了操纵性仿真实验。 仿真结果表明，本文设计的模糊自适应p i d 控制器具有较好的控制效果， 回转仿真试验、z 形操纵仿真试验、正弦操舵仿真试验和紧急停船仿真试验 均满足设计要求，为下一阶段的实物操纵性试验做了准备，并提供了理论依 据。 关键词：自航模系统；模糊自适应p i d ；操纵性；适航性 c o n d u c t o r , a n a l y s i so ft h ew a v ew h i c hi n t e r f e r e n c e sw i t ht h es h i pa n dt h eb u i l do f t h e f o u r - d e g r e em o v e m e n tm o d e lo ft h es e l fn a v i g a t i o nm o d e lu n d e rt h e i n t e r f e r e n c eo fw a v e f i n a l l y , b yu s i n gt h e f u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o la r i t h m e t i c t h ec o n t r o l l e ro f v e l o c i t ya n dd i r e c t i o no ft h es h i pw a sd e s i g n e d ，a n dt h ep a r a m e t e r so ff u z z y a d a p t i v ep i dw e r ea d j u s t e do n l i n et om a k er e a lt h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o lo ft h e c o n t r o ls y s t e m a n ds i m u l a t i o nc i r c u m s t a n c eo ft h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r m o v e m e n tc o n t r o lw a sb u i l ta tt h eb a c k g r o u n do fv c 6 0 t h em a n e u v e r a b i l i t y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft h es e l fn a v i g a t i o nm o d e lw a sd o n e ，n l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rd e s i g n e d i n t h i st h e s i sw a se f f i c i e n ta n dt h er o t a t i v es i m u l a t i o n z f o r m m a n i p u l a t e s i m u l a t i o n ，t h es i n ef o r mr u d d e ro p e r a t i o n a ls i m u l a t i o na n de m e r g e n t s t o p s i m u l a t i o nw e r ea l lm e e tt h en e e d so fd e s i g n a l lo ft h e s ea r et h ep r e p a r a t i o na n d t h e o r e t i c a lb a s i so ft h ep r a c t i c a l i t ym a n e u v e r a b i l i t ye x p e r i m e n to ft h en e x ts t a g e k e yw o r d s ：s e l fn a v i g a t i o ns y s t e m ：f u z z ya d a p t i v ep i d ；m a n e u v e r a b i l i t y ； s e a w o r t h i n e s s 学位论文 2 1 1型线设计1 5 2 1 2 总布置设计”1 9 2 2 推进系统设计“1 9 2 2 1 电机驱动器2 0 2 2 2 电机2 l 2 2 3 推进器2 2 2 3 舵机系统设计2 4 2 3 1 舵机的结构和工作原理2 4 2 3 2 舵机的控制原理2 5 2 3 3 舵的结构“2 6 2 4 控制系统设计2 7 2 4 1a v r 单片机简介2 7 2 4 2 下位机控制系统2 8 2 5 姿态采集系统设计2 9 1 1 2 3 3 6 8 1 3 5 5 1 1 1 l 状点 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 5 1 姿态传感器简介2 9 2 5 2 姿态传感器数据采集过程3 0 2 6 无线数据传输系统设计3 0 2 6 1 无线电3 0 2 6 2 通讯协议3 3 2 7 自航模硬件体系结构3 4 2 8 自航模软件体系结构3 6 2 8 1 下位机工作流程3 9 2 8 2 上位机工作流程4 3 2 9 本章小结4 3 第3 章自航模运动控制器设计4 5 3 1 p i d 控制原理4 5 3 2 模糊控制理论4 7 3 3 模糊自适应p i d 控制理论5 2 3 4 模糊自适应p i d 控制算法在自航模运动控制中的应用5 4 3 5 本章小结5 9 第4 章自航模运动控制建模及仿真6 0 4 1 自航模运动控制建模6 0 4 1 1 基本假设6 0 4 1 2 坐标系的建立及坐标间的转换6 l 4 1 3 自航模m m g 四自由度数学模型6 3 4 1 4 裸船体上的流体动力及力矩计算模型6 4 4 1 5 推进器推力及转矩计算模型6 6 4 1 6 舵特性计算模型6 6 4 1 7 风的干扰力计算模型6 7 4 1 8 浪的干扰力计算模型6 9 4 1 9 水动力系数估算7 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 4 1 1 0 风浪干扰下的运动模型7 2 4 2 自航模运动控制仿真7 2 4 2 1 定向运动控制仿真7 3 4 2 2 纵向速度运动控制仿真7 4 4 3 本章小结7 6 第5 章 自航模操纵性仿真实验7 7 5 1 回转试验7 8 5 2 z 形操纵试验。7 9 5 3 正弦操舵试验8 0 5 4 紧急停船试验8 0 5 5 本章小结8 1 结论8 2 参考文献8 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 8 致谢8 9 “三色 号货轮与另外一艘集装箱船迎头相撞，结果挪威货轮连同那2 8 2 6 辆崭新的豪华汽车以及另外7 7 个集装箱一起沉入海底，造成的直接经济损失 超过六千万美元。在国内，仅1 9 9 9 年就发生水上交通事故8 3 2 件，死亡7 6 9 人，沉船2 4 9 艘，直接经济损失约2 5 1 0 0 万元。 不断发生的海难事故不仅给国家和人民的生命财产造成了巨大损失，而 且化学品船和油船等船舶还会造成海洋大面积污染，带来不可估量的环境和 社会问题，引起世界各地的广泛重视。从造成海难的众多原因来看，除对船 舶的操作不当之外，船舶操纵性能的缺陷也不容忽视。为此，国际海事组织 ( i m o ) 和各国政府都致力于制定“船舶操纵性标准”，许多国家还要新建造 的船舶和进入该国水域的船舶提交操纵性计算书和试验报告。 目前，国际海事组织从船舶航行的安全角度出发，从两方面考虑确保船 舶具有良好的操纵性能，一是建造新船时，在初始设计阶段，制定一个船舶 操纵性的暂行标准，确保所设计、建造的船舶具有良好的操纵性能；另一是 为确保船舶的航行安全，使操作者充分了解本船的操纵性能，必须向操船者 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 提供一套船舶操纵使用手册。 1 2 课题研究的目的和意义 船舶操纵性的研究内容包括船舶的运动性能以及船舶所处的自然环境和 地形环境( 如风、浪、流以及浅水与狭窄航道) 对其运动性能的影响和特点。 而对船舶操纵性的预报，以及确认其是否满足操纵性要求，是船舶操纵性的 首要任务。过去，人们往往只关注静水中的操纵性，如航向稳定性，回转性 能等。但是船舶在实际航行中，则要遇到风、浪和流的影响，而且许多海难 事故常常发生在恶劣的海况下，往往伴有狂风和暴雨。研究船舶在风、浪和 流中的操纵性，不但能在设计初始阶段，对船舶的操纵性能进行优化设计， 而且有助于了解船舶碰撞与倾覆事故的产生机理，指导驾驶人员提高驾驶技 术，预防海难的发生，因而既有理论上的意义，又有重要的实用价值。 船舶自航模系统是一艘能够完全独立航行的试验装置，是一个以一定比 例尺建造的几何相似，并带有全部附体的船舶模型。主要用于研究船舶在静 水中的操纵性能和船舶在波浪中的操纵性能与适航性能。该系统包括船模、 推进系统( 推进电机、轴系、螺旋桨、舵与舵机) 、运动控制系统、运动与姿 态测量系统、数据采集与无线传输系统，供电系统等。其运动可在岸上用无 线电遥控操纵，也可用装在模型上的控制系统自动进行。 在实船建造之前，利用自航模的物理实验研究船舶的操纵性能是一种重 要且有效的方法，是目前各国普遍采用的研究操纵性的重要手段之一。由于 模型的尺度小，容易制造，所以成本低，试验周期短。又因为可以在实验室 条件下进行试验，便于排除环境的干扰和使用完善的专用测量设备，所以能 得到比较完整和精确的结果。为了研究船舶在波浪中的操纵性能和适航性能， 国内外都普遍采用了自航模的试验方法。由于自航模不受约束，自由航行， 所以更能准确的预报船舶的运动响应，尤其是在斜浪、横浪情况下的运动响 应。近年来，国外还利用自航模开展船舶在迎浪情况下，非线性横摇运动产 生的机理研究。 2 倾角的船舶，如滚装船，计算操纵性运动方程时应将横摇运动方程加入，考 虑横摇运动对操纵性运动的影响。i n o u es 在考虑横摇的基础上又将螺旋桨转 速变化加入运动方程组中。b i a n c a r d i 在计算时，又考虑了狭窄航道和浅水对 操纵性的影响。到了九十年代末，韩国h o y o u n gl e e 在计算时，提出了船尾 球形物对操纵性的影响；c h a n g g uk a n g 提出了两边附属物对操纵性的影响； i n y o n gg o n g 讨论了大展弦比舵对操纵性的影响。进入二十一世纪，k i j i m ak 又提出了考虑到包括船型尾部的水线面系数和菱形系数等因数对操纵性的影 响，进一步提高了在船舶设计的初始阶段对船舶操纵性预报的精度。 在我国，进行船舶运动预报模拟计算起步较晚，范尚雍利用苏联资料给 出了船舶的回转计算。进入八十年代，出现了操纵性模拟计算的热潮，周昭 明、张潞怡、马向能、苏兴翅等学者，先后进行了船舶操纵性预报计算，为 我国船舶运动仿真模拟的发展做出了巨大贡献。 采用计算机数值模拟方法预报船舶操纵性需要对船舶动力及外界环境影 响进行建模，并选定所采用的数学模型。因此船舶运动数学模型是船舶运动 仿真与控制的核心问题，它的研究始于二十世纪三十年代，但它的真正兴起 是在六十年代，当时超大型油轮出现操纵异常，为揭示其异常操纵特性以及 为适应开发高性能船舶操纵模拟器的需要，船舶运动数学模型的研究获得飞 3 哈尔滨t 程大学硕十学1 _ ) ：论文 速的发展，七十年代末八十年代初，由于研制先进的船舶航向、航迹控制器 的需要，又加速了对其的发展。 船舶运动预报的数学模型总体上讲可分为：1 、基于船舶运动方程的数学 建模；2 、将船舶作为一个动态系统引入运动响应模型。基于运动方程的数学 建模又分为两大派别b 1 ：一派是以上世纪六十年代a b k o w i t z 提出的整体型数 学模型，另一派是以上世纪七十年代日本船舶操纵运动数学模型研究小组 ( m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gg r o u p ，简称m m g ) 提出的分离型数学模型。 1 ) 、基于运动方程的数学建模 a 、整体式结构模型：以a b k o w i t z 为代表的整体式结构模型，把船、桨、 舵看作是一个不可分割的整体，船舶所受到的总流体动力户和动力矩厨数量 上与船舶的尺度、流体的物理性质( 粘度、密度、重力加速度等) 、船舶与周 围介质相对运动的速度( 角速度) 、加速度( 角加速度) 、驱动控制面的位置 或转速等因素有关。对于某一种具体的船舶，船舶所受到的外力和力矩由此 表示为如下形式： 一 - _ 二一 二、 f = f ( v ，v ，q ，q ，万，胛) i 一 一二一 二， m = m ( v ，v ，q ，q ，万，2 ) j f1 - 1 、 式中：拶一一舵角 万一一螺旋桨转速 由于船舶运动的复杂性，用理论方法研究函数户和露几乎是不可能的， 唯一可行的是进行约束船模试验来获得户和露。为此，将户和露的各分量 表达成u ，w ，z i ，帚，吨，户，万，z 的多元函数，并将各多元函数展开成t a y l o r 级数， 在这样的展开式中将出现的线性的、二阶的、三阶的流体动力导数达数十个。 在进行这些试验时，应该在满足相似规律的条件下，使船模在拖曳水池中被 悬臂机构、平面运动机构等试验设备带动作各种特定的运动，并让螺旋桨和 舵叶作相应的旋转和偏移，工作量相当巨大。其缺点在于：在众多的流体动 力导数中有一些( 高阶导数) 物理意义不明显，很难把一艘船的试验结果应 用于另一条船，不能合理地说明船模和实船的相关问题，试验耗费巨大，对 4 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 于不具备试验条件和经费的建模研究人员来说难于问津，不便于探求船舶设 计每一局部( 如舵叶面积) 的修改对总的操纵性能产生的影响等等。 b 、分离型模型结构：主要是以i n o u es 、h i r a n om 等人为代表建立的船 舶运动模型，即所谓的m m g 模型。m m g 模型认为船舶运动模型应满足下 列要求： ( 1 ) 有明确的物理意义； ( 2 ) 便于做试验求得数学模型中的各项系数； ( 3 ) 便于处理模型与实船的相关问题； ( 4 ) 便于设计上的局部修改； ( 5 ) 既能用于常规操纵模拟，又能适应更大范围内的运动以及浅水域 中的操纵。 由于m m g 模型( 详细的建模见后) 主要将作用于船舶上的流体动力和 力矩，按照物理意义，分解为作用于裸船体、敞水螺旋桨和敞水舵上的流体 动力和力矩，以及它们之间的相互干涉流体动力和力矩，便于深层次的理论 分析和广泛的试验研究，从而克服了整体模型的明显缺陷，诸如：在众多的 流体动力导数中有一些( 高阶导数) 物理意义不明显，很难把一艘船的试验 结果应用于另一条船，不能合理的说明船模和实船的相关问题等等。因此， m m g 分离模型得到各国研究人员的广泛青睐，进而纷纷对其进行不断的完 善；另外更为主要的是由于m m g 模型中水动力的表达形式简洁，且每一项 的物理意义都很明确，所以，近十几年来m m g 模型得到更广泛的采用和不 断的完善。 从当前研究现状来看，整体型和分离型船舶运动数学模型结构正在相互 渗透，例如：a b k o w i t z 模型的研究工作中已出现将桨和舵的效应单独细查的 倾向，而在m m g 学派中也看到将船、桨和舵三者或其中两者组合起来做试 验的例证。这样取两者的优势进行互补，可更进步的提高对船舶操纵性能 的精确预报。 2 ) 、响应模型 响应型模型是船舶运动数学模型的另一种表达式。二十世纪五十年代末， n o m o t o ( 野本) 从控制的观点将船舶看成一个动态系统，舵角为输入，艏向 5 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 i i 角或者艏摇角为系统的输出。首先从简捷的物理考察上，建立了描述系统输 入输出的响应关系的一阶响应模型。后来又从状态空间型的线性船舶数学模 型出发，建立了二阶响应模型，再后来，又根据不同的需要建立了非线性响 应模型。 利用响应模型，能把握船舶在操舵时的操纵运动及其对操舵响应的快慢， 即使是采用一阶近似的简单响应模型，也能求得相当准确的操舵响应。因此 可以说，该方法对求取船舶操纵性能、评价航向稳定性是行之有效的，随着 试验设备的不断改善、试验精度的不断提高和响应模型的不断完善，该方法 已成为在船舶设计阶段预报操纵性的重要手段。但是，由于响应模型要求对 每一个具体的船舶进行自航船模试验，这将需要花费大量的人力物力，而且， 自航模型和实船之间也存在如尺度效应问题等并未能完全解决，所以在实际 应用中会受到一定的限制。 1 3 2 船舶运动控制的国内外研究现状 以自动舵的运用和发展来介绍自动控制在船舶中的研究现状。自动舵是 “自动操舵控制装置”的简称，是在随动操舵的基础上发展起来的一种全自 动控制的操舵方式。它是船舶运动控制问题中有着特殊重要性的一个系统， 用于航向保持、航向改变和航迹保持控制。自动舵根据陀螺罗经的航向信号 和指定的航向相比较来控制操纵系统，自动的使船舶保持在指定的航向上。 由于自动舵灵敏度和准确性都比较高，它替代人工操舵后，可相对提高航速 和减轻舵工的工作量。自从2 0 世纪2 0 年代机械式自动舵应用于船舶航向控 制到现在，航向自动舵及其控制算法发展可以划分为四个阶段： 第一代机械自动舵：德国的a u s h u t z 和美国的s p e r r y 分别于1 9 2 0 年和 1 9 2 3 年独立研制成了机械式的自动操舵仪，它们的出现是一个重要的里程 碑，因为它使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望。 机械式自动舵只能进行简单的比例控制，这种自动舵需要采用低增益以避免 震荡，只能用于低精度的航向保持。 第二代p i d 自动舵：2 0 世纪5 0 年代，随着电子学和伺服机构理论的发 展与应用，集控制技术和电子器件的发展成果于一体的自动舵横空出世，使 得航向自动舵的控制精度明显提高。其缺陷是对外界变化应变能力差，操舵 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 频繁、幅度大，能耗显著。如对海浪高频干扰、p i d 控制过于敏感，为避免 高频干扰引起的频繁操舵，常采用“死区 非线性天气调节，但是死区会导 致控制系统的低频特性恶化，产生持续的周期性偏航，将引起航行精度降低， 能量消耗加大；另外，当船舶的动态特性( 速度、载重、水深、外型等) 或 外界条件( 风、浪、流等) 发生变化时，控制参数需连续的进行人工整定， 不合适的控制参数的控制器将导致较差的控制效果，如操舵幅度大、操舵频 繁等，而人工整定参数也相当麻烦。 第三代自适应舵：2 0 世纪6 0 年代末，随着计算机技术和自适应理论的 发展，人们注意到将自适应理论引入船舶操纵己成为可能，瑞典等北欧国家 的一大批科技人员纷纷将自适应舵应用到实船上，继而形成了第三代自动舵。 当船舶航行的条件为不确定或随时间变化时( 例如：遇到风、流的变化，船 速载重吃水和转舵角的随机变化等) ，船舶航向自动控制系统中的被控对象 ( 船) 和对船的扰动( 风、流等) 的数学模型参数是随着船速、转舵角、风、 流、吃水等的变化而随机的变化着。自适应自动舵根据可测量到的被控对象 ( 船) 现时状态的外部连续信息( 如船舷向、转舵角、船速等) 不断在线辨 识模型的参数，实施有效地控制，使得自动操舵系统在指定的性能指标下尽 可能接近和保持最优的状态。目前提出的自适应控制方法主要有自适应设计 法、随机自适应法、模型参考法、自校正法、线性二次高斯法、变结构法、 预测控制等。这些自适应控制方法都有各自的优缺点，并且还处于不断发展 的过程当中。由于自适应控制技术不仅与目标函数的计算有关，而且与干扰 模型建立的精确度有关，在船舶遇到的复杂工作条件下，自适应自动舵并不 能提供完全自动的最优控制。自适应舵在提高控制精度、减少能耗方面取得 了一定的成绩，但物理实现成本高、参数调整难度大，尤其是船舶的非线性 和不确定性使得控制效果难以保证，影响系统的稳定性。 第四代智能舵：2 0 世纪8 0 年代以来，人们开始探索类似于人工操舵的 智能方法，尝试着将具有自适应、自学习、自优化、自整定能力的智能控制 应用于船舶航向控制技术，产生了第四代智能式自动舵。第四代智能舵对于 过程模型存在的不确定性、干扰以及量测噪声都具有良好的鲁棒性，使得自 动舵的控制性能从自适应性、鲁棒性、稳定性等等各个方面均有了明显的改 善和提高。不足之处是控制器复杂、参数调整仍然相对较难。 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 近1 5 年来控制理论的全面繁荣为船舶操纵控制系统设计提供了诸多的 控制算法，特别是神经网络控制、模糊控制、混合智能控制统称为智能控制 和鲁棒控制等理论都被不同程度地引入该领域，为船舶运动科学的发展注入 活力，这两种控制算法虽然从机理上和方法论上看可以说是南辕北辙，而从 控制控制目标和效果上看却殊途同归，它们都能保证在船舶动态具有不确定 性、环境存在干扰、量测信息呈现不精确性( 噪声) 情况下，使闭环控制系 统具有稳定性和良好的运行性能( 即具有鲁棒性能) ，但模糊控制、神经网络 等智能控制是一门边缘交叉学科，它需要更多相关学科配合支援，不足之处 在于其设计的好坏依赖于设计者的经验，另外，由于硬件水平的限制尚未得 到精确的脑模型，使得目前关于智能控制的研究大多停留在仿真阶段而专家 系统在有着其固有的知识的脆弱性、推理的单调性、自动获取知识能力差的 不足，也需要和其它控制方式相结合才能取得较好控制效果。因此鲁棒控制 在船舶操纵控制中的应用逐步得到重视。在船舶运动控制研究领域，应用鲁 棒控制理论于船舶自动舵，在国外己进行过一些工作，主要有m e s s e r 和 g r i m b l e 的玩鲁棒控制航迹自动舵；大连海事大学贾新乐、张显库、杨承恩 等在将玩控制理论应用于船舶运动控制系统方面做了有益的研究和尝试，并 在国内首先给出一批实际应用结果。 1 3 3 智能控制的主要方法与研究热点 基于人工神经网络理论、模糊数学理论、模式识别理论及专家系统理论 等，并融合生理学、心理学、行为学、运筹学、传统控制理论等多学科的知 识和方法，出现了许多智能控制理论和方法，分析当前国际最新智能控制方 法及应用的状况和发展趋势，智能控制的主要方法有：专家控制；模糊 控制；神经网络控制；分级递阶智能控制；拟人智能控制；集成智 能控制，即将几种智能控制方法或机理融合在一起而构成的智能控制方法： 组合智能控制方法，即将智能控制和传统控制有机地结合起来而形成的控 制方法；混沌控制；小波理论。 当前的研究热点是：专家控制；神经网络控制；模糊控制；混 8 哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 沌控制；集成智能控制。 专家控制：专家系统是美国斯坦福大学e a f e i g e n b a n m 于19 6 5 年开创 的人工智能研究的新领域，8 0 年代专家系统的概念和方法被引入控制领域。 专家控制是智能控制的一个重要部分，它在将人工智能中专家系统的理论和 技术同自动控制的理论和方法有机结合的基础上，在未知环境下模仿专家的 智能，实现对系统的有效控制。专家系统主要由4 部分组成：知识库； 推理机；解析机制；知识获取系统。专家控制的核心是专家系统，它具 有处理各种非结构性问题，尤其是处理定性的、启发式的或不确定性的知识 信息的能力，经过各种推理过程达到系统的控制目标，主要有以下特点： 启发性；透明性；灵活性；专家控制的核心是知识信息处理系统，而 不是数值信息处理系统，它依据知识表示技术确定问题的求解途径，而不是 基于数学描述方法建立处理对象的计算模型，它主要采用知识推理的各种方 法求解问题及制订决策，而不是在固定程序控制下通过执行指令完成求解任 务；专家系统由组织级、协调级和执行级组成，核心是组织级，并具有“由 低层至高层 智能逐级升高、精度逐级降低的特点。专家控制系统在机器人 控制方面得到成功的应用，但还有许多问题有待进一步研究探讨，主要有： 专家经验知识的获取问题，如何获取专家知识，以及如何建造通用的满足 控制过程的专家开发工具成为研制专家系统的主要“瓶颈”之一；动态知 识的获取问题，专家控制系统与一般的专家系统不同，是一个动态系统，如 何在控制过程中自动更新和扩充知识，并满足实时控制的快速准确性需求是 非常关键的；专家控制系统的稳定性可控性分析是另一个研究难题，它涉 及的对象具有不确定性或非线性，它实现的控制基于知识模型，采用启发式 逻辑和模糊逻辑，专家控制系统本质是非线性的，目前的稳定性分析方法很 难直接用于专家控制系统。 神经网络控制：神经网络控制是基于结构模拟人脑生理结构而形成的智 能控制和辨识方法。随着人工神经网络应用研究的不断深入，新的模型不断 推出。在智能控制领域中，应用最多的是b p 网络、h o p f i e l d 网络等。与传统 控制相比，它具有以下重要特性：非线性，神经元网络在理论上可以充分 逼近任意非线性函数；并行分布处理，神经网络具有高度的并行结构和并 9 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 行实现能力，使其具有更大程度的容错能力和较强的数据处理能力；学习 和自适应性，能对知识环境提供的信息进行学习和记忆；多变量处理，神 经网络可自然地处理多输入信号，并具有多输出，它非常适合用于多变量系 统。目前神经网络在信号处理、系统辨识和优化、模式识别、故障诊断、机 器人等多个领域取得成功应用，它对智能控制的发展应用将具有重大而深远 的意义。但我们也看到，神经网络控制在理论上和设计方法上还存在许多问 题有待进一步的研究，主要是人工神经网络系统稳定性的分析方法、神经网 络结构和规模的选取及优化方法、学习和控制算法的收敛性和实时性问题， 神经网络理论如何应用到具体的控制系统以提高性能等一系列课题。 模糊控制：美国加利福尼亚大学的自动控制理论专家la z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出了“模糊集合”的概念。模糊控制是基于模糊推理和模仿人的思 维方法，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制，其成功应用的根 源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一 种系统的推理方法，以模糊集合、模糊语言变量与模糊逻辑推理为基础，以 先验知识和专家经验为控制规则，其主要特点有：控制系统设计依据操作 人员控制经验和操作数据，而不需要精确的数学模型；具有较强的鲁棒性， 可用于解决传统控制难以解决的非线性、时变及时滞系统的控制；应用语 言变量而不是数学变量，易于构造形成专家系统；推理过程采用“不精确 推理”，推理过程模仿人的思维过程，能够处理复杂甚至“病态”系统；离 线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性。模糊控制从诞生到现在 仅仅经历了二三十年时间，但已在一些领域取得了很好的研究成果，展示了 其强大的生命力。但是模糊控制系统还有许多理论和设计问题亟待解决，这 些问题主要有：要揭示模糊控制器的实质和工作机理，解决稳定性和鲁棒 性理论分析的问题，从理论分析和数学推导的角度揭示和证明模糊控制系统 的鲁棒性优于传统控制策略；信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度 降低和动态品质变差；模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。 混沌控制：混沌控制由1 9 6 3 年美国气象学家l o r e n z 首先提出。混沌和 混沌控制是非线性动力系统的新理论、新方法和新概念，是智能控制的重要 组成部分。混沌是指某种对初始条件敏感的运动，是在确定性系统中出现的 一种貌似无规则，类似随机的现象，是普遍存在的复杂运动形式和自然现象。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 混沌是非线性动力学系统在一定条件下所表现的一种运动形式。是系统处于 非平衡过程中所呈现的随机行为，它无序中又有序。因此非线性是产生混沌 的必要条件，但并非任何非线性系统都会产生混沌，一般认为当系统具有如 下3 条数值特征时就会发生混沌：系统的运动轨迹为奇怪吸引子现象： 系统运动的功率谱具有连续谱上叠加有尖峰的特点；系统中至少有一个李 雅普诺夫指数五 0 。混沌的类型大体可分为四大类，它们分别是时间混沌、 空间混沌、时空混沌、功能混沌。混沌的特性：系统的动力学特性对初始 条件的敏感性；存在不稳定周期轨迹的稠密集；正的l y a p u n o v 指数或有 限k o l m o g o r o w s i n a i 熵( k s 熵) ；连续能量谱；非遍历性；混合性 ( m i x i n g ) ，及其他一些极限性质。最常用的混沌控制方法有：o o g y 法； 连续反馈控制法；自适应控制法；神经网络法。由于混沌控制在工程技 术上的重大研究价值和极其诱人的应用前景，近几年，混沌控制问题引起了 国际上非线性动力系统和工程控制专家的极大关注，成为了非线性科学研究 的热点之一。因此，混沌系统和混沌现象的控制是一个全新的科学前沿，很 多系统的理论和有效的方法尚待开发。 集成智能控制：各种智能方法都具有自身明显的优势和特点，但同时也 存在一定的局限性。近年来，人们普遍认为，基于知识和经验的专家系统、 基于模糊逻辑推理的模糊控制、基于人工神经网络的神经网络控制方法的交 叉与融合，相互取长补短、优势互补、有机结合是当今智能控制的研究热点 之一。近年来集成智能控制方法及其在控制中应用的研究非常活跃，取得了 令人鼓舞的成果，并形成了模糊神经网络控制、专家模糊控制等多个方向。 目前，智能集成控制还处于初级研究阶段，由于各种智能控制方法本身的理 论还不完善，客观上制约了集成智能控制理论的发展。 1 3 4 自航模操纵试验研究简介 自航模操纵性试验方法是采用和所设计船舶几何相似的船模在方形水池 或天然湖泊中进行无线电遥控的航模标准操纵试验。通过测量船模运动轨迹 和相关运动参数，对所设计船舶的操纵性进行预报。该方法是一种传统的操 纵性预报方法，比较常用，也比较实用。自航模操纵性试验可以分为以下三 个试验阶段： 手段。对于给定的船 之间的关系，从而给 所要求的航速。 。如果配合不佳，则 ，可以进行船模及实 预报实船的性能更正 ld 内 一 、 | 二：- 鼬- e ，一 一 、) 如 图1 1 船模自航实验图 2 、静水中操纵性船模自航试验 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在实船建造之前，利用自航模的物理实验研究船舶操纵性是一种重要的、 有效的方法，是目前各国普遍采用的研究操纵性的重要手段之一。由于模型 的尺度小，容易制造，所以成本低，试验周期短。又由于可以在实验室条件 下进行试验，便于排除环境的干扰和使用完善的专用测量设备，从而能得到 比较完整和精确的结果。 自航模型是一个以一定缩尺比建造的几何相似，并带有全部附体的船模， 内部装有蓄电池、推进电机、轴系、螺旋桨、舵与舵机，以及必要的控制设 备、测量设备和通讯设备。其运动可在岸上用无线电遥控操纵，也可用装在 模型上的控制系统自动进行。 3 、波浪中的操纵性和适航性自航模试验 为研究船舶在波浪中的操纵性能和适航性能，国内外都普遍采用了自航 模的试验方法。由于自航模不受约束，自由航行，因而更能准确地预报船舶 的运动响应，尤其是在斜浪、横浪情况下的运动响应。近年来，国外还利用 自航模开展船舶在迎浪情况下，横摇运动产生的机理研究。 船模试验池的功能是针对不同的船舶设计通过模型试验为委托方( 船东、 造船厂或设计院) 提供优化的线型、良好的螺旋桨匹配并兼顾到其他如稳性、 操纵、适航以及结构布置等方面要求的资料和数据。现在船模试验的委托方 往往要求船模试验池能对其要求作出快速反应，签订委托试验合同前就要求 能估算出满意的快速性指标，往往要求一个月之内为初步设计提供线型并完 成船模的制作。接着做试验，试验一结束就要求提供结果，半个月之内提交 正式报告，对试验及计算的质量和精度都要求很高。有些委托方还对分析计 算中所用的方法，甚至计算中的某些经验因子的取值都提出一定的要求。因 此，进行船模试验时必须做到各个环节紧扣，而且要高效率、高质量，这样 才能满足委托方的要求，建立信誉，取得较高的市场占有率。船模试验分析 计算是在整个试验研究过程中得出准确结论的重要一环。船模试验池必须拥 有一个全面、详尽、精度好、质量和效率高的分析计算系统。 1 4 课题研究的主要内容 本文主要针对船舶适航性与操纵性自航模系统设计，完成了自航模的船 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 型设计、推进系统设计、舵机系统设计、控制系统设计以及无线数据传输系 统设计，并建立了m m g 方程运动模型，对模糊自适应p i d 控制算法进行分 析，进而对自航模进行运动控制仿真，最终完成各项自航模操纵性仿真实验。 第一章介绍了本课题的研究背景，并指出课题的研究目的和意义。分析 课题研究现状，包括船舶操纵性预报的研究现状、船舶运动控制的国内外研 究现状、自航模操纵实验研究简介。 第二章详细介绍了自航模的系统设计。依据船舶设计的理论与方法，完 成自航模型的型线设计和总布置设计；依据船舶推进理论，完成采用推进器、 舵与舵机系统设计；根据控制原理，设计控制系统、姿态采集系统和无线数 据传输系统；详细介绍了自航模硬件体系结构和软件体系结构。 第三章给出了一些控制器的设计方法，重点分析了p i d 和模糊控制的原 理特点，并给出了模糊自适应p i d 控制器的设计方案。 第四章建立了水平的随船坐标系，并给出坐标系之间的转换关系；然后 根据动量定理和动量矩定理，建立自航模的四自由度运动模型；之后，对船 体的各种水动力进行分析，并建立螺旋桨推进的力学模型；接着，对干扰船 体运动的浪流进行分析，并建立自航模在浪流干扰下的四自由度运动模型。 模型建完之后，最后仿真运行，通过对艏向和速度控制来验证模糊自适应p i d 控制器的设计要比p i d 控制器对自航模的控制效果更佳。 第五章进行自航模操纵性仿真实验。其中包括：回转试验、z 形操纵试 验、正弦操舵试验、紧急停船试验。 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章自航模系统设计 了自航模的系统设计。依据船舶设计的理论与方法，完成 线设计和总布置设计；依据船舶推进理论，完成了推进器 括对电机驱动器、电机和推进器的工作原理以及外形结构 依据船舶操纵性完成了舵机系统设计，其中包括舵机的结 机的控制原理和舵的结构；根据控制原理，设计了一套控 单片机做了简单介绍，又对下位机控制系统做了详细介绍； 统设计，其中介绍了m t i 姿态传感器特性和姿态传感器的 无线数据传输系统设计中，首先介绍了无线传输模块的特 次介绍了自航模系统中上位机与下位机的通讯协议；最后 硬件体系结构和软件体系结构，其中详细介绍了上位机和 下位机的工作流程。 2 1 自航模模型设计 船舶设计是根据设计任务书的要求，通过调查、分析、计算、绘图等工 作，从选择船的尺度、线型、结构、动力装置、设备以及其他技术要素等， 直至做出船舶建造和使用中所需的全部图样和技术文件的过程。 本课题所研究的自航模，就是根据船舶设计原理1 ，对母型船进行船舶 设计，再根据一定比例，对母型船进行缩小，从而完成自航模的模型设计。 下面就分别介绍自航模的型线设计和总布置设计。 2 1 1 型线设计 母型船主尺度如表2 1 所示，自航模与母型船建造比例为l ：5 5 。 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 表2 1 母型船主尺度 术语符号数值单位 一 垂线间长 三印 1 7 5 0m 型宽 b 2 5 4m 设计吃水以 9 5 0m 型深 d 1 5 6m 设计排水量 2 4 7 4 2 t 船体型线设计就是决定船主体部分的形状，在型线设计中应考虑首尾端 的型线特征，包括侧面轮廓、甲板边线轮廓、横剖型线等等。该母型船的具 体型线如下图所示： 一： “。 i 一 i 嚣j 黟：一一+| 一：一啭 黧“ k - 一j 一0 州l n 一一 一j 譬，。一事 一乜j o _n! _ ： 1 1p 一j - ，t l 啼； 一， 一_ - l * 一 l 一 一一：。铷 键 一“ - - 乞 一紫l 一 艏部站线 图2 1 艏部站线 1 6 哈尔滨一f - 仔n 火学硕十学何论文 ，：。，l - _ ：一二。4 l _ ：= f ”“ 二稳 一 l j _ - _ l 一jo ， = = 盏l ； + r + ? ” 嚣嚣i m 1 1 b1 t1 r ， 一。l _ i 一恤 ，jm-! j e 一，j _ 一 一= 2 瓷 l 一 。，。雾，肇b 一一一1 图2 2 艉部站线 l 一j | 。 ，一 馏- h m f ”= ? ：鼍k - - 一7 _ n 一 一 _ 开一呐 fr 一 ：一 ：鬲o。j 一 - - “ l 一 l蹬i 一。 一 。 一 i 一 一l + h 一 i 一 i 1 j - - 聃 l 一 ：叶 艏轮廓 图2 3 艏轮廓 一一 建 m ，一 一j - 一 一j “ 一j _ 一 j - 一 一，i 一 h h h _ 一 一，