基于ADRC的船舶航向控制器设计与仿真研究

摘要：船舶航向运动系统具有典型的非线性和不确定性,并受到自动舵执行能力的约束以及风、浪、流等的干扰,使得航向控制器的设计非常困难.针对以上问题给出了带有舵机约束的船舶运动非线性数学模型以及海浪扰动数学模型,对ADRC的原理进行了简要介绍,设计出了船舶航向ADRC控制器.仿真结果表明该控制器对于船舶航向运动的非线性、参数不确定性、环境不确定性以及控制对象的模型变化均有较强的鲁棒性,航向切换控制过程快速、平滑,操舵量小,可以实现高精度的航向保持控制.     

船舶电站柴油发电机组的非线性数学模型

船舶电力系统是一个非线性系统,为了对系统的过渡过程进行分析,文中建立了船舶电站柴油发电机组的非线性数学模型,该模型准确地反映了转速和电压的相互作用和相互影响的关系,体现了船舶电力系统的变量耦合性质.对一个实际的船舶电站柴油发电机组控制系统进行了计算机仿真研究,分别给出了系统在突加静负荷和起动大功率异步电动机时的动态特性曲线.计算机仿真结果表明,提出的数学模型是合理的、可行的,反映了船舶电力系统转速和电压的变化规律.     

船舶操纵性数学模型辨识

利用实船旋回航行试验和Z航行试验的测试数据,以二阶K-T方程为基础,采用系统辨识方法,确定了船舶操舵运动的静态和动态参数,并建立了船舶操纵性数学模型.本文使用海试实测数据进行参数估计,结论与实际比较接近,给出一种切实可行的K-T方程参数估计方法.数据处理结果表明,实船模型辨识手段与传统试验方法相比,有较明显的优越性.     

基于误差状态量的卡尔曼滤波器在SINS+GPS组合导航中的应用

卡尔曼滤波(KF)在SINS+ GPS组合制导方法中应用广泛,但是运载体的传感器数学模型一般为非线性,其模型复杂度和运算量较大.文章提出了SINS+ GPS组合制导中基于误差状态量的卡尔曼滤波算法,为了回避非线性所带来的复杂性,将GPS数据与惯性导航数据的误差作为状态量,由于误差的数学模型为线性,明显降低了设计难度.文中给出了设计过程和导航系统的数学模型,对该模型的状态参数进行了设置,最后用仿真试验证明了该算法的有效性.     

基于螺旋桨特性四象限Chebyshev拟合式的深潜艇正倒航变速推进模型

基于一个螺旋桨系列相应四象限特性的Chebyshev多项式拟合结果，具体给出了深潜艇螺旋桨四象限特性的Chebyshev多项式表达式。对四象限动态情况下J和J′的关系作了明确表达，深入地研究了J′在定常状态和动态下的变化。给出了螺旋桨四象限动态工作下的数学模型和深潜艇的直航运动仿真模型。运用以上结果对深潜艇进行了多方面的仿真，仿真结果与现有实船试验数据有很好的一致性，证明了以上结果可用于四象限研究和仿真。     

减摇水舱半物理仿真装置的试验研究

介绍了减摇水舱试验装置,它包括由台架和被动减摇水舱2部分,分析了试验装置模拟船舶横摇运动的方法,通过计算机控制伺服系统驱动试验装置,能够用台架模拟船舶的横摇运动并且验证被动水舱的减摇效果.对试验装置理论模型仿真曲线和半物理装置模型的仿真曲线进行了对比,分析了半物理试验装置的试验曲线.仿真和试验结果可为实船装备被动减摇水舱提供可靠数据.     

近距离会遇时船舶避碰动态辅助模型

为了协助船员快速确定合理的避碰策略,本文通过将船舶操纵运动数学模型、控制算法以及避碰要素动态数学模型相结合,提出一种充分考虑船舶运动特性的近距离会遇时船舶避碰动态辅助模型。选取具有较高精度的3自由度分离型船舶运动模型(MMG模型)描述避碰过程中船舶操纵运动特性。将MMG模型等价变换得到非仿射纯反馈形式的船舶操纵运动控制系统,利用后推控制设计方法,并结合隐函数定理、中值定理、神经网络、动态面控制技术,设计了一种结构简单、效果良好的直接自适应控制算法。同时基于MMG模型特点,构建了准确适用的船舶避碰要素动态计算数学模型。利用2艘相距较近且处于交叉相遇局面的船舶进行避碰仿真和对比研究。结果表明:所提出的避碰动态辅助模型能准确描述避碰过程中船舶操纵运动轨迹,能计算出符合实际的船舶避碰要素数值,能够为船舶采取有效的避碰行动提供辅助支撑。     

船舶操纵性模型辨识

以二阶Ｋ－Ｔ方程为基础,采用系统辨识方法,利用实船旋回试验和Ｚ航行试验的测试数据,确定船舶操舵运动的静态和动态参数,并建立船舶操纵性数学模型。使用海试实测数据进行参数估计,结论与实际接近,给出一种切实可行的Ｋ－Ｔ方程参数估计方法。数据处理结果表明,实船模型辨识手段明显优于传统试验方法。     

基于径向基函数网络的船舶非线性参数模型建模

船舶在航行中受到各种随机扰动,为了实时控制船舶运动姿态,需建立一个基于航速、海情和航向角实时变化的三维智能化运动模型.文中以某水面舰艇为研究对象,利用典型航速、航向角、海情下水池实验测量的数据算得水动力参数,基于径向基函数神经网络(RBF)算法,逼近三维空间各水动力参数的非线性函数,从而得到随航速、海情和航向角自适应变化的船舶运动非线性参数模型.仿真结果表明,径向基函数神经网络学习算法可以快速、精确地建立非线性参数模型.所建模型误差小于2%,该模型可用于船舶控制,使LQG减横摇控制效果提高41.6%.     

改进的车辆平顺性模型

首次利用坐标变换的方式建立了车辆平顺性系统数学模型,将模型输入信号转换为前、后桥的加速度信号。与传统的整车平顺性模型比较,由于把工程中常用的加速度信号作为模型的输入,不仅提高了模型的计算精度,而且在工程实际中更加具有使用价值;利用等效变换将复杂的轮胎分离出去,也增加了模型的真实性。利用matlab/simulink建立了整车平顺性仿真模型,考虑到板簧刚度、阻尼的非线性,对模型中的复杂输入参数进行了初步探讨。为了验证仿真模型的有效性,进行了相关的整车试验。对比试验数据和仿真曲线,可以看出平顺性模型的仿真结果与试验结果是非常吻合的。     

Modeling and designing for ship steering integrated simulator

The modeling of a ship steering integrated simulator(SSIS)applied to the design,debugging and maintenance of an autopilot is discussed.A nonlinear responsive model is proposed and applied to the design of SSIS.The SSIS generates real signals of the ship heading,the rudder angle,the ship position and the output to the autopilot.A variety of factors,such as ship speed variety,shallow water effect,nonlinearity of yaw and actuator,and environmental disturbances like wind,wave and current are considered carefully.Detailed formulas for calculating relevant parameters are provided.Taken a naval ship as an example,the physical-digital simulations on SSIS and the digital simulation on a Marine System Simulator(MSS)were conducted separately in various sailing conditions.Simulation results show that the simple nonlinear responsive model can be applied to ship motion control and simulation with sufficient accuracy and effectiveness.     

Design and implementation of model test installation of heave compensation system of deepsea mining

In order to validate the simulation model and develop heave compensation control strategy,heave compensation model tests were performed.The model test installation includes themining ship motion simulator,the heave compensation system,the lifting pipe simulator,the buffer simulator and the water pool.The tests ofmining ship motion simulator show that it is able to perform under the predetermined attitude path smoothly and can meet the requirements of themining ship motions.The heave compensation effect is m...     

基于ADAMS的四足机器人运动仿真研究

作为工业机器人的一个主要研究分支,多足机器人具有很强的环境适应性和运动灵活性,正在日益受到重视。应用三维建模软件UG建立了四足机器人的模型,导入到虚拟样机分析软件ADAMS中生成虚拟样机模型,并对四足机器人进行了步态规划,利用MATLAB计算得到机器人关节运动轨迹,导入到ADAMS中,模拟了机器人的实际运动状态,得到其爬行轨迹。利用虚拟样机进行仿真为多足机器人步态规划的研究提供了一种良好的试验方法。     

绳系拖拽系统半物理仿真实验装置设计与控制

为有效清除太空垃圾,模拟空间中对废弃卫星的回收过程,采用半物理实验技术对绳系收放装置进行地面试验考核,验证绳系收放控制系统的性能。半物理仿真是一种通过实物或物理模型与数学模型相结合进行仿真的技术,通过地面半物理仿真实验对空间任务进行先验,大大减少了空间实验的成本,可有效指导空间任务的设计与控制。首先,对绳系卫星拖拽过程进行动力学建模,明确了拖拽过程的任务目标,确立了绳系拖拽半物理系统的机械组成。其次,设计了全物理仿真单元为被动加载单元,卫星质量采用等效惯量转台模拟。然后,为模拟目标在绳系拖拽作用下的动力学状态,仿真加载单元由半物理仿真方式设计。最后,针对实际试验过程中存在的张力测量误差扰动,设计了基于模型预测控制的控制策略,为了对拖拽过程的张力和绳长精确控制,实验使用双闭环电机联合控制,通过模型预测控制的方式联合张力位置双电机仿真。结果表明,基于模型预测控制的张力误差精度为5%,从而验证了绳系收放控制系统对拖拽过程的控制有效性。     

A reduced-order-model-based multiple-in multiple-out gust alleviation control law design method in transonic flow

Gust alleviation is very important to a large flexible aircraft. A nonlinear low-order aerodynamic state space model is required to model the nonlinear aeroelastic responses due to gust. Based on the proper orthogonal decomposition method, a reduced order modeling of gust loads was proposed. And then the open-loop and closed-loop reduced order state space model for the transonic aeroelastic system was developed. The static output feed back control scheme was used to design a simple multiple-in multiple-out (MIMO) gust alleviation control law. The control law was demonstrated with the Goland+ wing model with four control surfaces. The simulation results of different discrete gusts show the capability and good performance of the designed MIMO controller in transonic gust alleviation.     

应用PSO和SVM的水下航行器黑箱建模

随着新型水下航行器不断涌现,现有水下航行器数学模型已难以与实际模型吻合.为更好了解新型水下航行器实际模型以及预测新型水下航行器运动,提出应用粒子群(particle swarm optimization,PSO)参数寻优和支持向量机(support vector machine,SVM)的水下航行器黑箱建模方法.首先根据水下航行器的运动状态信息和推进器力,应用支持向量机构造出之间的非线性映射关系,然后通过粒子群智能优化算法获得支持向量机的最佳参数组合,进而实现水下航行器的黑箱建模,最后根据推进器力是否时变,分别以新型四旋翼水下航行器的两种空间运动进行实验验证,并以均方根误差作为空间运动预测结果的评价标准.试验结果表明,基于粒子群参数寻优和支持向量机所构建的水下航行器黑箱模型对空间运动预测具有较小的均方根误差,空间运动预测结果与实际运动基本一致,所建黑箱模型与实际模型基本吻合,能有效预测水下航行器运动状态.     

含铰间间隙太阳帆板展开动力学仿真

为了研究铰间间隙在太阳帆板展开过程中的影响,采用非线性等效弹簧阻尼模型建立了间隙处的接触碰撞模型,同时采用Cou lomb摩擦模型考虑铰间间隙处的摩擦作用.并将其嵌入到ADAMS多体系统动力学分析软件中,对一单翼小卫星太阳帆板展开过程进行了数值仿真.研究了间隙撞击力的变化规律,分析了间隙对卫星本体姿态运动及帆板展开过程的影响.仿真结果可以较好地预测铰间间隙对卫星本体姿态运动及太阳帆板展开动力学的影响,对卫星姿态控制系统的设计和地面试验提供了参考和依据.