人工智人-家居设计-船舶运动智能控制及其虚拟仿真的研究.pdf资源-CSDN文库

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第１章绪论

科技的进步给船舶动力装置及机械设备带来了巨大的影响和变化。特别是近

二十多年，由于计算机技术的迅猛发展，很多船用设备相继采用了微机控制及监

测技术，可以对船舶设备的运行状态进行监测和故障诊断。高新技术的发展使得

智能自动化在船舶中获得日益深入和广泛的应用。

智能控制㈣是一门新兴的交叉前沿学科，它的发展得益于许多学科，其中包括

人工智能，现代自适应控制，最优控制，神经元网络，模糊逻辑，学习理论等，

以上每一个学科均从不同侧面部分地反映了智能控制的理论和方法。智能控制具

有非常广泛的应用领域，例如智能机器人控制、智能过程控制、智能调度与规划、

专家控制系统、智能故障诊断、智能仪表、飞行器控制及各种工业自动化系统等。

目前，有关智能控制的定义，理论和结构还没有统一的系统描述。本章主要介绍

本论文的内容和与本设计相关的一些理论的发展状况。

§１．１问题的提出

人类文明的进步与海洋运输密切相关。船舶运输又是历史悠久的一种交通运

输手段，船舶运输产业的发展是伴随着运营管理机制的进步、船舶控制技术的进

步而不断前进的。

船舶运行时，由于风浪流等环境因素的影响，也由于螺旋桨、舵等船舶自身

的各种推动和控制作用，会产生很复杂的运动。船舶航行时，必须对船舶的航向

进行控制。为了尽快地到达目的地和减少燃料消耗，总是力求使船舶以一定的速

度作直线航行。这就是船舶航向保持的问题，也就是航向稳定性的问题。而当在

预定的航线匕发现障碍物或其他船只时，或者在穰有限的航道内航行，必须及时

的改变船速和航向，这就是船舶航行的机动性问题。航向稳定性和机动性是衡量

一艘船操纵性好坏的标志。操纵性直接关系到船舶的使用效能和安全性，实际航

行的船舶经常受到风浪流等海洋环境的干扰，所以它不可能完全按直线航行。实

际航迹的曲折，一方面增加了航程，另一方面由于校正航向偏差而增加了操纵机

械和推进机械的功率消耗。通常由于上述原因而增加的功率消耗约占主机功率的

２％一３％，而对于航向稳定性较差的船甚至高达２０％…。由此可见，操纵性剥船舶

使用的经济性有重要的影响。

船舶运动控制至今己经历了多个发展阶段，到７０年代中期，ＰＩＤ算法已延续

了５０年，７０．８０年代出现了自适应控制。近年来，随着计算机技术和现代控制理

论的不断发展，各种新的控制算法，如模型参考自适应控制ｐ】、神经网络控制８。“、

模糊控制㈦、变结构控制【”、鲁棒控制Ⅲ等新理论开始应用到船舶运动控制中，但

主要限于仿真论证。这一方面是由于～种新方法从可行性论证到真『Ｆ在工程中实

施通常有一段时间延迟，另一方面也与每种理论单独应用于船舶这种复杂的过程

均具有一定的局限性有关，如能将几种控制方法加以有机综合集成，则将会产生

更优越的控制性能。这为解决船舶控制的各类问题，进一步提高船舶操纵的准确

性、安全性和经济性提供了新的契机。

我们希望船舶既有良好的航向保持功能，又有灵敏的机动性。在船舶设计中，

航向稳定性和机动性往往是矛盾的。一般说来，航向稳定性好的船舶，其航向机

动性就差。船舶航向控制装置可以较好地解决这个矛盾。目前，最常用的航向控

制装置是船舶自动操纵仪，即通常所说的船舶自动舵。

§１．２本研究相关领域的发展状况

自从１９３２年Ｈ．Ｎｙｑｕｉｓｔｒ６】发表反馈放大器的稳定性论文以来，系统分析的数

学模型主要是传递函数、状态空间描述法。随着要研究的对象和系统越来越复杂，

借助于数学模型描述和分析的传统控制理论难以解决复杂系统的控制问题，尤其

是在具有不确定性、高度非线性、复杂的任务要求的系统中。现代控制系统普遍

表现为系统的数学模型难以通过传统的数学工具来描述。因此，采用数学工具或

计算机仿真技术的传统控制理论已经无法解决此类系统的控制问题。然而，我们

在生产实践中看到，许多复杂的生产过程难以实现的目标控制，可以通过熟练的

操作工、技术人员或专家的操作获得满意的控制效果。那么，如何有效的将熟练

的操作工、技术人员或专家的经验知识和控制理论结合起来去解决复杂系统的控

制问题就是智能控制原理研究的目标所在。智能控制的概念主要是针对控制对象

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