基于模拟退火算法的船舶航向PID控制器参数优化研究

摘要

船舶航向控制大多数是传统的PID控制，它以其原理简单、易于实现、适应性强、参数调整较容易等特点得到了广泛地应用，但是传统的PID控制器参数整定方法通常并不能取得预期的效果。因此，运用多种不同的优化方法来解决PID参数优化问题成为了最有效的控制系统设计方案。
　　模拟退火算法(SA)是基于局部搜索算法的改进搜索算法，本文利用其思路清晰、原理简单、使用灵活的特点对舶航向控制PID参数进行离线优化，首先根据船舶航向控制应保证航向偏差和操纵舵角应尽量小的特点，确定SA算法优化的目标函数和算法参数，利用SA算法对目标函数进行搜索迭代运算，得出优化后的PID参数，并进行MATLAB仿真实验与遗传算法(GA)和单纯形算法优化PID参数对比证明SA算法在优化PID参数的可行性和优越性，收敛时间短，系统无超调，上升快，应舵小，具有很强的鲁棒性。
　　针对PID参数的SA优化中计算时间过长和可能遗失中间最优解的局限性，提出了一种改进的SA算法，增加算法中间记忆环节并优化冷却进度表，利用改进后的SA算法对船舶PID控制器进行仿真实验，并与普通的SA算法对比，改进后的SA算法收敛速度更快，得到的最终解也具有相当的可靠性，有一定的实用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究历史和现状

1．2．1 PID控制参数与优化现状

1．2．2 船舶航向控制设备的研究历史和现状

1．2．3 模拟退火算法的发展历史和现状

1．2．4 小结

1．3 本文主要工作

第2章 船舶运动数学模型和PID控制器

2．1 船舶操纵运动方程式

2．1．1 坐标系

2．1．2 船舶运动方程式的建立

2．2 船舶运动数学模型

2．2．1 船舶运动数学模型分类

2．2．2 船舶响应型模型的推导

2．3 舵机伺服系统数学模型

2．4 海浪干扰模型

2．5 PID控制器

2．6 船舶PID航向控制器设计和仿真

2．7 本章小结

第3章 模拟退火算法和改进的模拟退火算法

3．1 组合优化问题

3．2 邻域结构、整体最优解和局部最优

3．3 局部搜索算法

3．3．1 局部搜索算法的描述

3．3．2 局部搜索算法的特性

3．3．3 改善局部搜索算法性能的途径

3．4 模拟退火算法

3．4．1 固体退火过程

3．4．2 Metropolis准则

3．4．3 模拟退火算法

3．5 模拟退火算法的改进

3．5．1 模拟退火算法的改进方式

3．5．2 模拟退火算法的改进思路

3．5．3 改进的算法流程

3．6 本章小结

第4章 基于模拟退火算法的船舶航向PID控制研究

4．1 模拟退火算法参数的确定

4．1．1 目标函数的确定

4．1．2 初始解、解空间、邻域结构和新解产生器

4．1．3 冷却进度表

4．1．4 SA算法步骤

4．2 仿真实验及其结果分析

4．3 改进的模拟退火算法性能验证

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本文不足和未来工作的展望

参考文献

致谢