神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)船舶航向控制的研究.pdf

1、船舶自動(dòng)操舵儀又稱自動(dòng)舵，是船舶運(yùn)動(dòng)控制問題中具有特殊重要性的一個(gè)系統(tǒng)，用來保持船舶在給定航向或航跡上航行，是船舶操縱的關(guān)鍵設(shè)備。隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)舵也有了更進(jìn)一步的要求。自動(dòng)舵的發(fā)展與控制理論水平相一致。20世紀(jì)20年代美國(guó)的Sperry和德國(guó)的Ansuchz在陀螺羅經(jīng)研制工作取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展后分別研制出機(jī)械式自動(dòng)舵，這是船舶操縱研究上的一個(gè)里程碑；20世紀(jì)50年代，隨著電子學(xué)和伺服機(jī)構(gòu)理論的發(fā)展與應(yīng)用，出現(xiàn)了集控制技術(shù)和電子器件發(fā)

2、展成果一體的PID自動(dòng)舵；到了60年代末，人們將自適應(yīng)理論引入船舶操縱，出現(xiàn)了自適應(yīng)舵，并在自動(dòng)舵商品化方面取得了很大成功；從80年代起，人們開始尋找類似于人工操舵的方法，提出了智能舵的概念，它主要有三種控制方法，即專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 本文主要對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)舵中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，利用人工界面實(shí)現(xiàn)航向控制。主要研究?jī)?nèi)容為： 1)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控法作為控制策略。該方案易于實(shí)現(xiàn)，但是魯棒性能比較差，為了克服

3、局限性，將各種環(huán)境擾動(dòng)和初始狀態(tài)都作為輸入量，使網(wǎng)絡(luò)能最大可能地反映實(shí)際情況。 2)建立盡可能完善的非線性船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。良好的船模能夠使研究結(jié)果更接近實(shí)踐，能更好的研究問題。通常情況下控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依賴于線性反饋控制理論，這導(dǎo)致大部分自動(dòng)舵船模是線性的，許多機(jī)理細(xì)節(jié)被忽視。本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能擬合各種非線性系統(tǒng)的特性，分別考慮槳、舵、船體的動(dòng)力學(xué)特性以及風(fēng)、流、浪力的影響，得到了較為精確的數(shù)學(xué)模型。 3)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采

4、用了BP(反向傳播)算法。BP算法是目前最常用最成熟的網(wǎng)絡(luò)算法，它的應(yīng)用可以讓自動(dòng)舵轉(zhuǎn)入實(shí)際使用時(shí)可靠性更高。本文對(duì)三層BP網(wǎng)絡(luò)中如何通過調(diào)整結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法以提高性能進(jìn)行了詳細(xì)的探討，主要考慮了(K-1)狀態(tài)引入、隱層神經(jīng)元確定、對(duì)輸入量的要求、學(xué)習(xí)速率調(diào)整和傳遞函數(shù)改進(jìn)等方法。這些成果不僅能有利于自動(dòng)舵的改進(jìn)，而且具有更普遍的意義。 4)系統(tǒng)用MATLAB在計(jì)算機(jī)上建模，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行仿真，船舶當(dāng)前狀態(tài)和環(huán)境擾動(dòng)量以及控制