船舶运动智能控制及其虚拟仿真的研究
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摘要
本文对于船舶运动的建模、智能控制策略及其可视化仿真系统即虚拟仿真系统进行了系统的研究。主要讨论了以下部分：1)船舶数学模型的建立；2)PID、变形PID控制算法、智能PID、模糊控制和多模态控制算法的研究；3)船舶运动控制虚拟仿真环境的生成。
建立船舶运动的数学模型是进行船舶运动控制和仿真的基础。本文详细讨论了包括状态空间型和传递函数型的船舶平面运动线性和非线性数学模型。作者结合所参加科研项目，建立了基于实船数据的当前国际上第五代超巴拿马型5446TEU集装箱船实船数据的运动数学模型，计算结果表明仿真模型与实船试航数据相吻合。
船舶运动控制研究面临的主要困难在于船舶动态过程存在的不确定性和非线性问题，以及随机的环境干扰和量测信息的不精确性。智能控制策略与传统控制方法相结合，为解决上述问题、设计高性能的船舶运动控制器提供了新的契机。本文针对船舶运动控制问题详细讨论了智能PID控制器，基于神经网络的参数自整定智能PID控制器，模糊航向控制器，基于模糊和自整定PID的多模态控制器等，多个仿真结果验证上述智能控制算法的有效性。
建立一个良好的仿真环境是检验各种控制算法的有效手段。仿真技术已经成为分析、研究各种系统，尤其是复杂系统的重要工具。本文研究并生成了包括航向和主机的船舶运动控制虚拟现实仿真系统，它突出了人在控制回路中的作用，可以进行在线实时仿真，并支持如数据头盔、立体眼镜等虚拟现实设备。操作者可以戴上立体视觉设备在投影机的大屏幕上观察到具有沉浸感的三维立体船舶运动场景。
在本仿真环境上，可以选择多种算法进行船舶运动控制仿真。操作者可对PID、智能PID、变参数PID、变结构PID、神经PID、模糊控制和多模态控制算法的控制参数进行调整。各种算法设计成模块化结构，便于修改与扩充，以达到最佳的控制效果。
Ship motion modeling, intelligent control (IC) algorithm and virtual reality based visual simulation are systemically investigated in the thesis. The mainly parts of the paper are: 1) theorizing the ship model for ship steering; 2) research on intelligent PID control algorithms, fuzzy control algorithms and multi-mode control; 3) development of VR based simulation software for ship motion control.
Establishing a mathematical model of ship motion is the foundation for ship control and simulation. The linear and nonlinear ship plant motion models with the forms of state equation and transfer function are particularly discussed in the thesis. By means of joining the related research project the author establishes the mathematical model of the fifth generation 5446TEU containerships in the world. The computing data based simulating model fit trial voyage results.
The main difficulties faced for controlling ship motion are uncertainty and nonlinear problems of ship dynamics, the interference of stochastic environment and imprecise survey. The combination of intelligent control strategies and the classical control algorithms provides the possibility of solving above problems and designing ship intelligent controller with high performance. Taking ship as a controlled plant intelligent PID controller, self-tuning PID controller based neural network, fuzzy logic steering controller, multi-mode controller are investigated in detail. The simulation results demonstrate effectiveness of above-mentioned IC algorithms.
Building a suitable simulation environment is an effective mean to test the control algorithms. Simulation technique has already become an important tool to analyze and study different systems especially complicated ones.
This thesis focuses on studying and completing ship motion control including steering and main diesel engine as well as simulation system based VR that it gives prominence to the operation of the user. It can work by real time on line and support virtual equipment such as digital helmet and stereoscopic glasses. The user can observe the 3-D immersion environment for ship motion by means of VR facilities.
This simulation environment provides manifold control algorithms to ship motion such as PID, intelligent PID, VAPID, neuron-PID, and fuzzy logic control and multi-mode controller with tuning parameters. All the algorithms are constructed to the module form, which is easily to be modified and extended for attaining optimal purposes.
建立船舶运动的数学模型是进行船舶运动控制和仿真的基础。本文详细讨论了包括状态空间型和传递函数型的船舶平面运动线性和非线性数学模型。作者结合所参加科研项目，建立了基于实船数据的当前国际上第五代超巴拿马型5446TEU集装箱船实船数据的运动数学模型，计算结果表明仿真模型与实船试航数据相吻合。
船舶运动控制研究面临的主要困难在于船舶动态过程存在的不确定性和非线性问题，以及随机的环境干扰和量测信息的不精确性。智能控制策略与传统控制方法相结合，为解决上述问题、设计高性能的船舶运动控制器提供了新的契机。本文针对船舶运动控制问题详细讨论了智能PID控制器，基于神经网络的参数自整定智能PID控制器，模糊航向控制器，基于模糊和自整定PID的多模态控制器等，多个仿真结果验证上述智能控制算法的有效性。
建立一个良好的仿真环境是检验各种控制算法的有效手段。仿真技术已经成为分析、研究各种系统，尤其是复杂系统的重要工具。本文研究并生成了包括航向和主机的船舶运动控制虚拟现实仿真系统，它突出了人在控制回路中的作用，可以进行在线实时仿真，并支持如数据头盔、立体眼镜等虚拟现实设备。操作者可以戴上立体视觉设备在投影机的大屏幕上观察到具有沉浸感的三维立体船舶运动场景。
在本仿真环境上，可以选择多种算法进行船舶运动控制仿真。操作者可对PID、智能PID、变参数PID、变结构PID、神经PID、模糊控制和多模态控制算法的控制参数进行调整。各种算法设计成模块化结构，便于修改与扩充，以达到最佳的控制效果。
Ship motion modeling, intelligent control (IC) algorithm and virtual reality based visual simulation are systemically investigated in the thesis. The mainly parts of the paper are: 1) theorizing the ship model for ship steering; 2) research on intelligent PID control algorithms, fuzzy control algorithms and multi-mode control; 3) development of VR based simulation software for ship motion control.
Establishing a mathematical model of ship motion is the foundation for ship control and simulation. The linear and nonlinear ship plant motion models with the forms of state equation and transfer function are particularly discussed in the thesis. By means of joining the related research project the author establishes the mathematical model of the fifth generation 5446TEU containerships in the world. The computing data based simulating model fit trial voyage results.
The main difficulties faced for controlling ship motion are uncertainty and nonlinear problems of ship dynamics, the interference of stochastic environment and imprecise survey. The combination of intelligent control strategies and the classical control algorithms provides the possibility of solving above problems and designing ship intelligent controller with high performance. Taking ship as a controlled plant intelligent PID controller, self-tuning PID controller based neural network, fuzzy logic steering controller, multi-mode controller are investigated in detail. The simulation results demonstrate effectiveness of above-mentioned IC algorithms.
Building a suitable simulation environment is an effective mean to test the control algorithms. Simulation technique has already become an important tool to analyze and study different systems especially complicated ones.
This thesis focuses on studying and completing ship motion control including steering and main diesel engine as well as simulation system based VR that it gives prominence to the operation of the user. It can work by real time on line and support virtual equipment such as digital helmet and stereoscopic glasses. The user can observe the 3-D immersion environment for ship motion by means of VR facilities.
This simulation environment provides manifold control algorithms to ship motion such as PID, intelligent PID, VAPID, neuron-PID, and fuzzy logic control and multi-mode controller with tuning parameters. All the algorithms are constructed to the module form, which is easily to be modified and extended for attaining optimal purposes.
引文
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[4] 李士勇．模糊控制·神经控制和智能控制论(第二版)．1998．9．哈尔滨工业大学出版社．
[5] 易继锴，侯媛彬．智能控制技术．1999，9．北京工业大学出版社．
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[14] 陶永华，尹怡欣等新型PID控制与应用．1998．9，北京，机械工业出版社．
[15] 郭晨．智能控制原理及应用．1998，大连海事大学出版社．
[16] 贾欣乐，张显库．船舶运动智能控制与H_∞鲁棒控制．2002，7．大连海事大学出版社．
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