基于網(wǎng)絡(luò)控制的船舶航向保持控制研究.pdf

1、本文為了處理船舶航向保持網(wǎng)絡(luò)控制中網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延和數(shù)據(jù)包丟失對系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的不良影響，分別提出兩種處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延和一種處理數(shù)據(jù)包丟失的方法，不但通過Matlab進(jìn)行了仿真驗證，而且通過最后設(shè)計并實現(xiàn)的基于海事衛(wèi)星通信的船舶航向保持控制仿真測試平臺進(jìn)行了試驗仿真驗證。論文主要創(chuàng)新點如下:
　　1.提出了一種適用于船舶航向保持網(wǎng)絡(luò)控制的魯棒自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。該算法縱向傳遞子系統(tǒng)中非線性不確定和時延，并以單個徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

2、最終補(bǔ)償鎮(zhèn)定，具有形式簡捷、參數(shù)易整定、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點。
　　2.借助輔助模型辨識思想，提出了一種適用于船舶航向保持網(wǎng)絡(luò)控制的簡捷魯棒控制方法。該方法以特征模型輔助估計和Padé逼近技術(shù)處理網(wǎng)絡(luò)通信中的數(shù)據(jù)包丟失和時延問題，具有模型構(gòu)建簡潔、魯棒性強(qiáng)、易于工程應(yīng)用等優(yōu)點。
　　3.使用Visual Basic設(shè)計并實現(xiàn)了基于海事衛(wèi)星通信的船舶航向保持控制仿真測試平臺。該平臺可利用實際網(wǎng)絡(luò)通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為本文所研究算法

3、增加了一種便捷且實用的測試平臺，一定程度上解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)現(xiàn)有研究中常規(guī)數(shù)字模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真的局限性。
　　船舶航行安全一直是世界各國非常關(guān)注的問題。在海盜威脅較為嚴(yán)峻的形勢下，如何避免船舶被劫持和被劫持后的應(yīng)急處理已經(jīng)是當(dāng)前航運(yùn)界關(guān)注的一個熱點問題。海盜劫持船舶不僅影響海上運(yùn)營，而且嚴(yán)重威脅船員人身安全。另外，隨著水面無人船(Unmanned Surface Vehicle，USV)研究的不斷深入，未來船舶將在船上沒有一個人員

4、的情況下通過遠(yuǎn)程操控穿越大洋運(yùn)載貨物到達(dá)目的地。一旦船舶上沒有人員，意味著可以運(yùn)載更多貨物，產(chǎn)生更大利潤，而且因人為失誤造成的意外將大大減少，同時，海盜面對無人船也將束手無策。隨著現(xiàn)代船岸一體化船舶監(jiān)控系統(tǒng)新功能的不斷升級，在逐漸提升運(yùn)營效益的同時，也將更有效地保障航運(yùn)生產(chǎn)安全。一旦船舶遭遇劫持等緊急情況，通過船岸一體化船舶監(jiān)控系統(tǒng)，岸站中心可以實時接收船舶各項數(shù)據(jù)，根據(jù)船舶狀態(tài)，實行遠(yuǎn)程操控。船舶運(yùn)動控制系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，

5、不可避免地面臨網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NetworkedControl System，NCS)固有的時延和數(shù)據(jù)包丟失等問題。
　　本文為了研究船舶航向保持網(wǎng)絡(luò)控制，處理NCS中時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的不良影響，首先對Intemet及海事衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的時延和丟包性能進(jìn)行了實際測試和分析，結(jié)合其特性提出了一種新的魯棒自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案，補(bǔ)償不確定時延對一般嚴(yán)格反饋系統(tǒng)帶來的影響。這種新的方案主要利用Lyapunov-Krasovskii函數(shù)

6、對不確定時延進(jìn)行補(bǔ)償，使用Backstepping方法將每個步驟中的非線性項縱向傳遞到第n個子系統(tǒng)，然后引入徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RadialBasis Function Neural Networks，RBFNNs)進(jìn)行補(bǔ)償鎮(zhèn)定，最后進(jìn)行了仿真驗證。該方案具有形式簡捷、易于工程應(yīng)用等優(yōu)點。
　　為了同時處理NCS中時延和數(shù)據(jù)包丟失對系統(tǒng)造成的不良影響，引入輔助模型估計(Auxiliary Model Estimation，AME)

7、方法，以特征模型作為輔助模型，用其輸出代替被控對象在丟包情況下的估計值，并將Padé近似技術(shù)與閉環(huán)增益成形算法(Closed-loop gain shaping algorithm，CGSA)相結(jié)合設(shè)計考慮時延的船舶航向保持簡捷魯棒控制器，最后進(jìn)行了仿真驗證。該方法具有設(shè)計過程簡單、工程實現(xiàn)容易、模型構(gòu)建簡潔、控制效果良好等優(yōu)點。
　　為了更方便地開展本文所研究算法的模擬測試實驗，從仿真平臺的實用性和易用性出發(fā)，利用Visual

8、Basic(VB)用戶圖形界面設(shè)計簡單和面向?qū)ο蟮忍攸c，設(shè)計并實現(xiàn)了基于海事衛(wèi)星通信的船舶航向保持控制仿真測試平臺，彌補(bǔ)了單一數(shù)字仿真的局限性。結(jié)合本文所提出的針對NCS中時延的處理方法，在對海事衛(wèi)星通信及Internet通信進(jìn)行測試比較的基礎(chǔ)上，驗證了船舶航向保持運(yùn)動通過海事衛(wèi)星通信進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的可行性和平臺的實用性。
　　本文從提高遠(yuǎn)洋船舶遭遇劫持等緊急情況應(yīng)急處理能力角度出發(fā)，提出岸站中心通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對船舶的遠(yuǎn)程操控