支持向量機(jī)在船舶航向控制中的應(yīng)用研究

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1、分類號(hào)：TP273單位代碼：10183研究生學(xué)號(hào)：2013512032密級(jí)：公開吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文（學(xué)術(shù)學(xué)位）支持向量機(jī)在船舶航向控制中的應(yīng)用研究ApplicationResearchofSupportVectorMachineinShipHeadingControl作者姓名：張資林專業(yè)：電路與系統(tǒng)研究方向：控制系統(tǒng)與仿真指導(dǎo)教師：王紅波副教授培養(yǎng)單位：電子科學(xué)與工程學(xué)院2016年6月支持向量機(jī)在船舶航向控制中的應(yīng)用研究ApplicationResearchofSupportVectorMachineinShipH

2、eadingControl作者姓名：張資林專業(yè)名稱：電路與系統(tǒng)指導(dǎo)教師：王紅波副教授學(xué)位類別：工學(xué)碩士答辯日期：2016年06月01日未經(jīng)本論文作者的書面授權(quán)，巧法收存和保管本論文書面版本、電子版本的任何單位和個(gè)人，均不得對(duì)本論文的全部或部分內(nèi)容進(jìn)行任何形式的復(fù)制、修改、發(fā)行Ｖ出租、改編等有礙作者著作權(quán)的商業(yè)性使用（但純學(xué)術(shù)性使用不在此限）。否則，應(yīng)承擔(dān)侵權(quán)的法律責(zé)任。吉林大學(xué)碩±學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中

3、己經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均己在文中Ｗ明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名；Ｉ良日期?？冢褐辏拊氯眨崳娬白詣?dòng)舵的設(shè)計(jì)及船舶運(yùn)動(dòng)控制的研究一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的重要課題，良好的控制算法以及可靠穩(wěn)定的船舶自動(dòng)舵能夠在船舶航行的過程中提高其安全性與經(jīng)濟(jì)性，具有重要的理論和實(shí)踐意義。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法等逐漸趨于成

4、熟并成功應(yīng)用到各類工程領(lǐng)域當(dāng)中，本文所探討的主要內(nèi)容則是支持向量機(jī)（SupportVectorMachine-SVM）這一智能學(xué)習(xí)算法在船舶航向控制以及船舶自動(dòng)舵的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本文首先研究了船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型并根據(jù)文中的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了船舶運(yùn)動(dòng)仿真軟件。文中參考了IEC62065標(biāo)準(zhǔn)分別分析了船舶的推進(jìn)系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)以及船舶運(yùn)動(dòng)過程中的縱移模型、橫移模型和艏向運(yùn)動(dòng)模型，給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)。另外，由于船舶在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到來自浪、流等因素的干擾，所以本文也對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)環(huán)境中的海浪、海流的模型進(jìn)行了探討。最后，根據(jù)文

5、中所述模型，本文通過MATLAB搭建了船舶運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)在PC上運(yùn)行，可通過串口與船舶自動(dòng)舵進(jìn)行通訊，接收舵令并反饋當(dāng)前船舶的姿態(tài)信息，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶自動(dòng)舵性能的驗(yàn)證。本文參照IEC62065標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該仿真系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明該仿真系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，可以用于船舶自動(dòng)舵性能驗(yàn)證的仿真試驗(yàn)。在搭建船舶運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)之后，本文首先研究了SVM回歸方法對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的辨識(shí)問題。SVM由統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論發(fā)展而來，最早用于數(shù)據(jù)的分類問題，SVM在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中建立最優(yōu)分類超平面，通過判斷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與超平面的關(guān)系實(shí)現(xiàn)其分類功能

6、，另外，由于SVM在線性分類器的基礎(chǔ)上引入了核函數(shù)，所以能夠解決訓(xùn)練數(shù)據(jù)線性不可分時(shí)的復(fù)雜問題。SVM在控制中的應(yīng)用主要是利用其回歸功能，即建立超平面對(duì)已知訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過對(duì)采集到的控制目標(biāo)的輸入量和輸出量進(jìn)行訓(xùn)練，得到控制目標(biāo)系統(tǒng)的輸入-輸出模型。本文利用最小二乘支持向量機(jī)（LeastSquareSupportVectorMachine-LSSVM）對(duì)文中所建立的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了在線辨識(shí)和離線辨識(shí)，LSSVM的在線辨識(shí)和離線辨識(shí)在本質(zhì)上并沒有區(qū)別，許多用于在線辨識(shí)的快速計(jì)算方法都可以I摘要在離線辨識(shí)中

7、使用，重點(diǎn)在于LSSVM在線辨識(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)較少并且訓(xùn)練數(shù)據(jù)集會(huì)進(jìn)行更新，僅訓(xùn)練出某一小段時(shí)間范圍內(nèi)的目標(biāo)模型并進(jìn)行預(yù)測(cè)，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。文中通過仿真試驗(yàn)證明了LSSVM能夠應(yīng)用于船舶模型的離線以及在線辨識(shí)，并且結(jié)果表明LSSVM針對(duì)船舶模型的在線辨識(shí)在海浪干擾下可表現(xiàn)出良好的性能。在SVM與控制結(jié)合的領(lǐng)域中，一類方法是將LSSVM本身作為控制律，結(jié)合最優(yōu)控制律進(jìn)行求解，此類方法在設(shè)計(jì)時(shí)需要知道參考狀態(tài)以及控制目標(biāo)的模型；另一類方法是將SVM用于控制目標(biāo)的模型辨識(shí)，通過辨識(shí)出的模型在線調(diào)整或設(shè)計(jì)控制律。最后，本文將LS

8、SVM同廣義預(yù)測(cè)控制(GeneralizedPredictiveControl-GPC)相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種用于算法驗(yàn)證的簡(jiǎn)易船舶航向自動(dòng)舵，文中給出了主要模塊的電路圖以及主要軟件流程圖，并將所設(shè)計(jì)的船舶自動(dòng)舵和文中搭建的船舶運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，試驗(yàn)結(jié)果表明文中所設(shè)計(jì)的船舶自動(dòng)舵能夠?qū)崿F(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)過程中的航向控制，具有一定的實(shí)踐意義。關(guān)鍵詞：