帶觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位時(shí)滯控制研究.pdf

1、隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于海洋資源的開(kāi)發(fā)與利用受到了越來(lái)越多人的重視。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，這就要求動(dòng)力定位船在海面工作時(shí)能夠很好的估計(jì)外界的狀態(tài)與擾動(dòng)。時(shí)滯現(xiàn)象廣泛存在于動(dòng)力定位系統(tǒng)中，如推進(jìn)器的響應(yīng)滯后，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等。時(shí)滯現(xiàn)象會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)動(dòng)力定位船的精確定位產(chǎn)生影響。而魯棒H∞控制在處理時(shí)滯、不確定擾動(dòng)等方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)，因此本文通過(guò)選用合適的觀測(cè)器來(lái)對(duì)動(dòng)力定位船的狀態(tài)及擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)。對(duì)含有時(shí)滯的動(dòng)力定位系統(tǒng)，將動(dòng)力定

2、位系統(tǒng)的狀態(tài)及擾動(dòng)等作為反饋來(lái)設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒H∞控制，大大提高了船舶在海面的作業(yè)能力。
　　本文以動(dòng)力定位船為研究對(duì)象，考慮在含有輸入時(shí)滯及外界擾動(dòng)的情況下，設(shè)計(jì)合適的控制器與觀測(cè)器，對(duì)動(dòng)力定位船的狀態(tài)及擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)。采用H∞控制理論，在含有時(shí)滯與外擾的情況下，構(gòu)造合適的Lyapunov泛函方程，證明得出閉環(huán)系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定。推導(dǎo)得出的LMI來(lái)求取控制增益，使動(dòng)力定位船在面對(duì)許多未知擾動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)控制，仿真驗(yàn)證了理

3、論的正確性。具體從以下方面進(jìn)行研究:
　　首先，對(duì)于水面船建立包含六個(gè)自由度的船舶數(shù)學(xué)模型，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。接著給出了海面常見(jiàn)的風(fēng)、浪、流的數(shù)學(xué)模型，利用傳統(tǒng)的PID作為控制指令，在MATLAB仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的有效性。
　　其次，將船舶模型轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的魯棒控制模型。通過(guò)對(duì)擾動(dòng)觀測(cè)器的介紹，將擾動(dòng)觀測(cè)器引入到船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中。考慮了在含有輸入時(shí)滯的情況下，設(shè)計(jì)了一種擾動(dòng)觀測(cè)器,將船舶已知的狀態(tài)及觀

4、測(cè)到的擾動(dòng)作為反饋傳遞給控制器。采用H∞控制理論，利用時(shí)滯分解的方法，通過(guò)構(gòu)造合適的Lyapunov函數(shù)來(lái)證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相應(yīng)的LMI通過(guò)求解得到控制增益與擾動(dòng)增益。通過(guò)仿真驗(yàn)證了在含有時(shí)滯的情況下船舶精確地定位能力以及擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)外界擾動(dòng)良好的估計(jì)。
　　最后，將自抗擾控制的核心——擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器引入到含有輸入時(shí)滯的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中。將船舶模型上常用的三階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器轉(zhuǎn)化為線性ESO的形式，然后推導(dǎo)得出合適的控制器。將

5、線性ESO估計(jì)的狀態(tài)傳給控制器，采用魯棒H∞控制理論，同樣利用時(shí)滯分解的方法，通過(guò)構(gòu)造合適的Lyapunov函數(shù)來(lái)證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)LMI求解得出控制增益，仿真驗(yàn)證了在含有輸入時(shí)滯的情況下，船舶良好的定位能力以及線性ESO對(duì)船舶位置、速度等精確的估計(jì)。
　　經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)及仿真驗(yàn)證，證明了在含有輸入時(shí)滯的情況下，魯棒H∞控制能夠很好的克服時(shí)滯以及外界擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)估計(jì)與擾動(dòng)觀測(cè)器的擾動(dòng)估計(jì)能力