欠驅動船舶運動的非線性魯棒控制研究.pdf

1、欠驅動船舶運動模型是一個具有多輸入、多輸出、強耦合、非完整性的非線性系統(tǒng)。由于受到來自外界海洋環(huán)境的時變干擾,釆用常規(guī)單一的非線性控制方法設計的欠驅動船舶控制器難以兼顧強魯棒性、自適應性和較高的運動控制精度等特點。因此,如何利用非線性控制理論來解決上述問題也就自然地成為研究的熱點問題。隨著欠驅動船舶研究的進一步深入和海洋經濟戰(zhàn)略的發(fā)展需要,多船舶編隊控制應運而生。編隊控制在海洋資源探測、艦隊協(xié)同作戰(zhàn)、遠洋補給、搜捕營救、編隊巡邏、環(huán)境監(jiān)

2、測等方面具有較寬的應用前景和空間。為此,本論文以欠驅動船舶為研究對象,主要進行了以下幾方面研究工作:
　　首先,建立了船舶三自由度運動數(shù)學模型,為研究閉環(huán)系統(tǒng)特性提供一個基本的仿真平臺,并可通過仿真研究進一步評估控制系統(tǒng)的控制性能。同時,介紹了在本論文中涉及到的基本知識,包括穩(wěn)定性理論、反步法、滑?？刂评碚摵蜕窠浘W絡技術等,為后續(xù)章節(jié)的研究打下基礎。
　　其次,采用常規(guī)反步法設計欠驅動船舶的軌跡跟蹤控制器時,由于涉及對虛擬控

3、制輸入信號反復求導的過程,所以存在計算量過大的缺點。針對這個問題,并為實現(xiàn)欠驅動船舶在模型參數(shù)不確定和外界風浪流干擾情況下水平面的軌跡跟蹤控制,本文提出了一種指令濾波滑模魯棒控制方法。首先利用指令濾波法建立軌跡跟蹤誤差方程,通過引入變換方程將軌跡控制問題轉化為鎮(zhèn)定縱向速度和轉向角誤差,并進一步設計船舶轉向角速度虛擬控制律鎮(zhèn)定轉向角誤差;然后采用積分方法設計基于上下界的滑?？刂破?克服了常規(guī)反步法對虛擬控制律求導復雜的問題,減小了穩(wěn)態(tài)誤差

4、與超調問題。仿真實驗表明,設計的控制器能使欠驅動船舶同時實現(xiàn)水平面直線和曲線的有效軌跡跟蹤。
　　接著,為實現(xiàn)欠驅動船舶在存在風浪流外界干擾和參數(shù)攝動條件下的路徑跟蹤控制,設計一種基于可視距離的神經滑模路徑跟蹤魯棒控制器。利用可視距離思想,根據(jù)期望路徑與當前位置信息,分別設計船舶縱向速度和轉向角的參考值,并視為鎮(zhèn)定位置誤差的虛擬控制律,將路徑跟蹤問題轉化為縱向速度和轉向角的鎮(zhèn)定問題;利用神經網絡和滑模方法相結合設計一種新的神經滑模

5、魯棒控制器,實現(xiàn)了對虛擬控制律的跟蹤控制,無需確定參數(shù)攝動和外界干擾的上界,避免了控制器易出現(xiàn)飽和問題和抖振現(xiàn)象。仿真實驗表明,設計的控制器對欠驅動船舶的模型攝動和外界干擾變化不敏感,可以實現(xiàn)路徑的理想跟蹤。
　　最后,針對模型參數(shù)不確定和外界風浪流干擾情況下的欠驅動船舶編隊控制問題展開了進一步的研究。首先,對于領導-跟隨船舶編隊模型,考慮跟隨船僅能利用領航船的位置及轉向角信息,不能利用其速度及角速度信息這一特點,采用虛擬領航者策

6、略,根據(jù)領航船的位置及轉向角信息和船舶隊形信息來設計虛擬船,使其軌跡與參考船在有限時間內重合,進而獲得跟隨船的期望軌跡和速度;然后,基于虛擬船策略建立領導-跟隨模式下的船舶編隊控制模型;最后,考慮存在的外界環(huán)境干擾和模型參數(shù)的不確定性,將反步法、神經網絡技術和滑?？刂品椒ㄏ嘟Y合,設計一種欠驅動船舶編隊神經滑模魯棒控制器,同時給出了船舶編隊控制仿真實驗結果。
　　本論文的研究成果具有一定的學術價值和廣泛的工程應用前景,部分成果亦可應