基于MATLAB的SPSA算法优化油船PD控制器设计系统

资 源 简 介

本MATLAB项目利用SPSA算法自动优化油船PD控制器的比例和微分参数，通过仿真评估动态性能与鲁棒性，实现高效控制器调参。系统自动运行，提升航向控制精度。

详 情 说 明

基于SPSA算法的油船PD控制器优化设计系统

项目介绍

本项目致力于利用SPSA（同时扰动随机逼近）仿真优化算法，实现油船航向PD控制器的自动参数整定与性能评估。系统通过集成船舶非线性运动数学模型，自动运行闭环仿真，并结合SPSA算法对控制器的比例系数（Kp）和微分系数（Kd）进行迭代优化。该方法无需计算目标函数的梯度，即可高效地寻找使航向控制动态性能与鲁棒性最优的控制器参数，显著提升了控制器设计的自动化水平与可靠性。

功能特性

• 智能参数整定：核心采用SPSA优化算法，自动调整PD控制器参数，免去繁琐的手动试凑。
• 高保真船舶仿真：内置包含非线性流体动力学效应的船舶运动数学模型，模拟真实船舶航向响应。
• 环境扰动模拟：可选配波浪、海流等海洋环境干扰模型，用于评估控制器的鲁棒性能。
• 全面性能评估：优化过程中自动计算超调量、调节时间、稳态误差等多项性能指标，并生成可视化分析报告。
• 用户友好交互：通过集中设置输入参数，即可完成从仿真到优化的全过程。

使用方法

1. 准备输入参数：在指定位置设置油船基本参数（船长、质量等）、PD控制器初始参数、期望航向角、SPSA算法超参数以及可选的环境扰动参数。
2. 运行优化程序：执行主程序，系统将自动开始迭代优化过程。
3. 查看输出结果：优化完成后，系统将输出最优的Kp和Kd值，并绘制收敛曲线、航向控制响应曲线、控制力矩曲线等图表，同时提供详细的性能指标报告。

系统要求

• 操作系统：Windows / Linux / macOS
• 软件环境：MATLAB R2018a 或更高版本
• 必要工具包：MATLAB 基础安装即可运行，无需额外工具箱。

文件说明

主程序文件作为系统的总控核心，承担了初始化设置、算法执行调度与结果输出的全部关键任务。具体而言，其主要功能包括：读取和解析所有用户输入的项目配置参数；调用船舶运动仿真模型以模拟航向控制动态过程；执行SPSA优化算法的完整迭代循环，包括参数扰动、性能评估与参数更新；实时监控优化进程并记录收敛数据；在优化结束后计算各项控制性能指标，并调用绘图函数生成所有结果图表与报告。