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第1章 绪论 1

1.1 船舶控制工程概述 1

1.1.1 船舶横摇控制 1

1.1.2 船舶航向控制 2

1.1.3 船舶航向／横摇控制 3

1.1.4 船舶航迹／航向控制 5

1.1.5 船载三轴稳定平台姿态控制 5

1.2 现代控制理论概述 7

1.2.1 智能控制理论 7

1.2.2 鲁棒控制理论 13

1.2.3 抗饱和控制理论 16

1.2.4 容错控制理论 17

1.3 现代船舶控制工程概述 18

1.4 全书结构内容安排 20

第2章 船舶运动及海洋干扰建模 22

2.1 引言 22

2.2 参考坐标系 22

2.3 船舶六自由度运动建模 23

2.3.1 平移运动三方程 23

2.3.2 旋转运动三方程 24

2.3.3 空间六自由度一般方程 25

2.4 船舶运动模型简化 26

2.4.1 船舶四自由度耦合运动方程 26

2.4.2 船舶水平面运动线性化模型 26

2.4.3 方程右端诸项推导 27

2.5 船舶运动模型参数的计算 30

2.5.1 附加质量和附加惯性矩的估算 30

2.5.2 耦合运动模型黏性水动力系数的估算 31

2.5.3 线性模型黏性水动力系数的估算 32

2.5.4 船舶耦合运动模型水动力系数计算结果 33

2.5.5 船舶线性简化模型水动力系数计算结果 33

2.6 海洋干扰建模 34

2.6.1 海浪干扰建模 34

2.6.2 海风干扰建模 36

2.6.3 海流干扰建模 37

2.7 小结 37

第3章 船舶减摇鳍模糊控制 38

3.1 引言 38

3.2 基础知识 38

3.2.1 模糊控制理论的发展 38

3.2.2 模糊遗传算法优化理论 39

3.2.3 模糊控制理论基础 40

3.3 船舶减摇鳍遗传模糊PID复合控制 40

3.3.1 遗传模糊PID复合控制器结构 40

3.3.2 模糊控制器设计 41

3.3.3 遗传模糊优化控制器设计 46

3.3.4 遗传模糊PID复合控制器设计 55

3.4 船舶减摇鳍控制系统仿真研究 58

3.4.1 船舶减摇鳍PID控制仿真 58

3.4.2 船舶减摇鳍GA-FC PID复合控制仿真 62

3.4.3 船舶减摇鳍控制系统仿真分析 67

3.5 小结 70

第4章 船舶航向控制系统抗饱和控制 72

4.1 引言 72

4.2 基础知识 72

4.2.1 Lyapunov稳定性 72

4.2.2 吸引域估计 73

4.2.3 L2增益 74

4.2.4 凸集分析 75

4.2.5 线性凸包法 76

4.2.6 LMI与凸优化 77

4.3 抗饱和控制算法 79

4.3.1 问题描述 79

4.3.2 控制器设计 79

4.3.3 主要结果 82

4.3.4 LMI优化求解 83

4.4 船舶航向保持静态抗饱和控制 84

4.4.1 船舶航向保持运动建模 84

4.4.2 舵驱动系统建模 85

4.4.3 船舶航向保持控制器设计 86

4.4.4 系统仿真 89

4.5 船舶航向转向抗饱和控制 94

4.5.1 船舶航向转向运动建模 94

4.5.2 船舶航向转向静态抗饱和控制 94

4.5.3 船舶航向转向饱和有限时间控制 98

4.5.4 系统仿真 101

4.6 小结 104

第5章 船舶航向／横摇鲁棒控制 105

5.1 引言 105

5.2 基础知识 105

5.2.1 参数摄动系统的线性分式表示 105

5.2.2 线性分式变换与参数摄动系统 106

5.2.3 简单函数参数摄动系统的线性分式表示 108

5.2.4 多项式函数参数摄动系统的线性分式表示 110

5.2.5 有理函数参数摄动系统的线性分式表示 118

5.3 船舶横摇H∞鲁棒控制 121

5.3.1 H∞灵敏度极小化 122

5.3.2 船舶横摇减摇与H∞灵敏度极小化 123

5.3.3 控制器输出约束问题 124

5.3.4 船舶横摇减摇系统H∞鲁棒控制器设计 125

5.3.5 系统仿真 131

5.4 船舶航向H∞鲁棒控制 135

5.4.1 航向控制系统H∞鲁棒控制与μ综合 135

5.4.2 基于μ综合的航向控制系统H∞鲁棒控制器设计 144

5.4.3 系统仿真 152

5.5 船舶航向／横摇H∞鲁棒控制 167

5.5.1 航向／横摇联合控制原理 167

5.5.2 航向／横摇联合H∞控制的模型研究 170

5.5.3 基于μ综合的航向／横摇联合H∞鲁棒控制器设计 174

5.5.4 系统仿真 191

5.6 小结 210

第6章 船舶航迹／航向神经网络控制 212

6.1 引言 212

6.2 基础知识 212

6.2.1 神经网络研究进展 212

6.2.2 模糊神经网络的分类 214

6.2.3 神经网络与模糊逻辑融合 215

6.3 模糊神经网络控制器研究 217

6.3.1 模糊神经网络控制器的设计 217

6.3.2 模糊神经网络控制器的优化 218

6.4 免疫遗传模糊神经网络研究 219

6.4.1 遗传算法理论分析 219

6.4.2 免疫模糊遗传算法研究 230

6.5 船舶航迹／航向神经网络控制研究 237

6.5.1 船舶航迹／航向控制过程分析 237

6.5.2 船舶航迹／航向神经网络控制器结构设计 240

6.5.3 基于免疫模糊遗传算法的优化设计 242

6.5.4 船舶航迹／航向神经网络控制系统仿真 243

6.6 小结 250

第7章 船舶舵／翼舵-鳍／翼鳍联合智能控制 251

7.1 引言 251

7.2 舵／翼舵水动力特性建模 251

7.2.1 舵／翼舵水动力系数回归模型 252

7.2.2 回归模型参数估计 253

7.2.3 回归模型显著性检验 262

7.3 鳍／翼鳍水动力特性建模 264

7.3.1 鳍／翼鳍水动力系数回归模型 264

7.3.2 回归模型参数估计 264

7.3.3 回归模型显著性检验 272

7.4 系统驱动能量方程 272

7.4.1 舵／翼舵驱动能量方程建立 272

7.4.2 鳍／翼鳍驱动能量方程建立 274

7.5 舵角／翼舵角智能决策器 277

7.5.1 舵角／翼舵角分配规则研究 277

7.5.2 舵角／翼舵角分配规则的遗传算法实现 278

7.6 鳍角／翼鳍角智能决策器 283

7.6.1 鳍角／翼鳍角分配规则研究 284

7.6.2 鳍角／翼鳍角分配规则的遗传算法实现 284

7.7 航向／横摇-舵／翼舵-鳍／翼鳍联合鲁棒控制 286

7.7.1 基于H2／H∞控制的航向／横摇鲁棒调节器研究 286

7.7.2 基于μ理论的航向／横摇鲁棒调节器研究 291

7.7.3 系统仿真 296

7.8 小结 303

第8章 船舶航向及机炉协调支持向量机复合控制 304

8.1 引言 304

8.2 基础知识 305

8.2.1 支持向量机基础知识 305

8.2.2 在线式支持向量机算法 308

8.2.3 支持向量机的参数选择 320

8.3 船舶航向鲁棒最小二乘支持向量机控制 329

8.3.1 鲁棒支持向量机控制器设计 329

8.3.2 船舶航向鲁棒最小二乘支持向量机控制系统仿真 333

8.4 船舶机炉支持向量机协调智能控制 342

8.4.1 支持向量机复合智能控制器设计 342

8.4.2 船舶机炉支持向量机协调智能控制系统仿真 346

8.5 小结 367

第9章 船舶航行控制系统故障在线智能预报 369

9.1 引言 369

9.2 基础知识 369

9.2.1 支持向量机回归算法 369

9.2.2 支持向量机回归算法预报能力分析 373

9.2.3 支持向量机回归算法在故障预报中的应用 376

9.3 船舶航行控制系统故障建模 379

9.3.1 船舶航行控制系统故障模式及原因分析 379

9.3.2 船舶航行控制系统故障树构建 381

9.3.3 船舶航行控制系统故障建模 390

9.4 故障预报并行优化技术研究 398

9.4.1 改进人工鱼群算法 398

9.4.2 优化模型的建立 404

9.5 支持向量机算法性能多目标优化研究 413

9.5.1 支持向量机算法性能评价指标 414

9.5.2 支持向量机算法性能的多目标优化 414

9.5.3 基于免疫鱼群算法的支持向量机算法性能多目标优化 422

9.6 船舶航行控制系统故障在线组合预报研究 429

9.6.1 组合预报的基本原理及方法 430

9.6.2 船舶航行控制系统故障组合预报模型建立 431

9.6.3 基于小波网络的组合预报模型中最优权系数的确定 434

9.6.4 船舶航行控制系统故障组合预报仿真 438

9.6.5 可视化船舶航行控制系统故障在线预报 452

9.7 小结 456

第10章 船载三轴稳定平台姿态控制 458

10.1 引言 458

10.2 基础知识 458

10.2.1 非线性系统理论基础 458

10.2.2 Lyapunov稳定性理论 459

10.2.3 微分几何理论基础 460

10.2.4 干扰解耦问题 463

10.3 船载三轴稳定平台动力学建模研究 464

10.3.1 船载三轴稳定平台坐标系的定义与坐标变换 464

10.3.2 动量与动量矩定理 469

10.3.3 各框架旋转运动方程的建立 471

10.3.4 船载三轴稳定平台运动方程的展开形式 478

10.3.5 模型仿真研究 479

10.4 船载三轴稳定平台动力学特性分析与模型简化 482

10.4.1 三轴稳定平台动力学特性分析 482

10.4.2 模型简化研究 486

10.5 船载三轴稳定平台可测干扰解耦研究 496

10.5.1 多变量非线性系统的反馈线性化 496

10.5.2 非线性系统可量测干扰解耦 498

10.5.3 不确定非线性系统的鲁棒干扰解耦 503

10.5.4 船载三轴稳定平台可测干扰解耦 506

10.6 船载三轴稳定平台鲁棒输出跟踪控制 512

10.6.1 输出跟踪与参数化误差动态方程 513

10.6.2 具有可调参数的不确定非线性系统的鲁棒输出跟踪控制 514

10.6.3 船载三轴稳定平台鲁棒输出跟踪控制 519

10.7 小结 526

第11章 船舶航迹／航向解析容错控制 528

11.1 引言 528

11.2 基础知识 528

11.3 船舶航向控制系统故障描述 530

11.3.1 执行器类故障数学描述 531

11.3.2 传感器类故障数学描述 531

11.3.3 系统两类故障统一数学模型 532

11.4 鲁棒容错控制研究 532

11.4.1 基于Lyapunov的鲁棒容错控制研究 533

11.4.2 故障工况下船桨舵水动力系数分析 535

11.4.3 船舶故障工况下鲁棒容错控制器设计 548

11.5 重构容错控制研究 554

11.5.1 智能故障诊断技术研究 554

11.5.2 重构容错控制技术 564

11.5.3 传感器重构容错控制研究 565

11.5.4 执行器重构容错控制研究 574

11.6 船舶航迹／航向容错控制系统 580

11.6.1 分步容错控制策略思想 580

11.6.2 大型船舶航迹／航向容错控制系统研究 580

11.6.3 大型船舶航迹／航向智能容错控制系统仿真 581

11.6.4 仿真结果分析 586

11.7 小结 586

参考文献 587