欠驅(qū)動(dòng)水面船舶的全局鎮(zhèn)定控制方法研究.pdf

1、近二十年來(lái)，如何用較少的控制輸入實(shí)現(xiàn)受控對(duì)象多自由度的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)是控制界的學(xué)者們致力于研究和解決的熱點(diǎn)問(wèn)題，這類系統(tǒng)廣義上可稱之為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前海上航行的大多數(shù)水面艦艇均未配備側(cè)向推進(jìn)裝置，僅僅依靠縱向推進(jìn)力裝置(螺旋槳或噴水推進(jìn)器)和轉(zhuǎn)向裝置實(shí)現(xiàn)艦艇水平面內(nèi)三自由度的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，屬于典型的欠驅(qū)動(dòng)控制問(wèn)題。本文以欠驅(qū)動(dòng)水面船舶為研究對(duì)象，進(jìn)行了以下研究工作：
　　 (1)本文為實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)水面船舶的點(diǎn)鎮(zhèn)定控制，提出了一種基于時(shí)不變狀

2、態(tài)反饋的切換控制方法。首先利用全局微分同胚變換將船舶的位置變量變換到一種新的隨動(dòng)坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)多變量耦合狀態(tài)的初步解耦，并對(duì)系統(tǒng)之間的相互影響進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果使得在控制器設(shè)計(jì)中只考慮低階本質(zhì)非線性子系統(tǒng)的狀態(tài)收斂性即可，由此簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)，最后利用反步法設(shè)計(jì)了以艏搖狀態(tài)作為切換條件的點(diǎn)鎮(zhèn)定控制律，實(shí)現(xiàn)了欠驅(qū)動(dòng)水面船舶系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定，并可使部分狀態(tài)以指數(shù)速率收斂于系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，從而最終以時(shí)不變切換控制的方式實(shí)現(xiàn)了其全局漸

3、近鎮(zhèn)定。
　　 (2)為克服時(shí)不變切換控制本身帶有的非連續(xù)性缺陷，實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)水面船舶的光滑連續(xù)控制，并提高狀態(tài)的收斂速率，提出了一種基于時(shí)變狀態(tài)反饋的解耦控制方法。首先采用全局微分同胚變換實(shí)現(xiàn)控制器設(shè)計(jì)的初步簡(jiǎn)化，然后通過(guò)引入一種時(shí)變狀態(tài)變換，進(jìn)一步將本質(zhì)非線性系統(tǒng)解耦為一個(gè)線性子系統(tǒng)和一個(gè)線性時(shí)變子系統(tǒng)，從而將整個(gè)本質(zhì)非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)的點(diǎn)鎮(zhèn)定控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)具有單向耦合影響的線性子系統(tǒng)的點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題。最后通過(guò)為每個(gè)線性子系統(tǒng)分

4、別設(shè)計(jì)獨(dú)立的全局指數(shù)鎮(zhèn)定控制律，以光滑連續(xù)的形式實(shí)現(xiàn)了欠驅(qū)動(dòng)水面船舶的全局K指數(shù)鎮(zhèn)定。
　　 (3)為實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)水面船舶的全局航跡跟蹤控制，提出了一種級(jí)聯(lián)反步分解設(shè)計(jì)方法。首先推導(dǎo)了欠驅(qū)動(dòng)水面船舶航跡跟蹤的誤差動(dòng)態(tài)方程，由此將航跡跟蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)化為誤差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題，然后利用級(jí)聯(lián)系統(tǒng)理論將誤差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題解耦為兩個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題。由于每個(gè)子系統(tǒng)均帶有獨(dú)立的控制輸入，使得可為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)全局指數(shù)穩(wěn)定的控制律，最終實(shí)現(xiàn)

5、了欠驅(qū)動(dòng)船舶的全局K指數(shù)航跡跟蹤，并通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　 (4)為解決欠驅(qū)動(dòng)水面船舶的模型參數(shù)辨識(shí)不精確下參數(shù)攝動(dòng)及外界環(huán)境干擾下的航跡跟蹤控制問(wèn)題，利用基于上下界的滑?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)了滑模跟蹤控制器，克服了欠驅(qū)動(dòng)水面船舶的航跡跟蹤控制所面臨的可總結(jié)為持續(xù)激勵(lì)“persistent excitation(PE)”的技術(shù)難題。首先利用反步法將控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程分解為運(yùn)動(dòng)學(xué)回路和動(dòng)力學(xué)回路兩個(gè)過(guò)程分別進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)