欠驅(qū)動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)的非線性魯棒控制研究.pdf

1、欠驅(qū)動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)模型是一個(gè)具有多輸入、多輸出、強(qiáng)耦合、非完整性的非線性系統(tǒng)。由于受到來(lái)自外界海洋環(huán)境的時(shí)變干擾,釆用常規(guī)單一的非線性控制方法設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)船舶控制器難以兼顧強(qiáng)魯棒性、自適應(yīng)性和較高的運(yùn)動(dòng)控制精度等特點(diǎn)。因此,如何利用非線性控制理論來(lái)解決上述問(wèn)題也就自然地成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著欠驅(qū)動(dòng)船舶研究的進(jìn)一步深入和海洋經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的發(fā)展需要,多船舶編隊(duì)控制應(yīng)運(yùn)而生。編隊(duì)控制在海洋資源探測(cè)、艦隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)、遠(yuǎn)洋補(bǔ)給、搜捕營(yíng)救、編隊(duì)巡邏、環(huán)境監(jiān)

2、測(cè)等方面具有較寬的應(yīng)用前景和空間。為此,本論文以欠驅(qū)動(dòng)船舶為研究對(duì)象,主要進(jìn)行了以下幾方面研究工作:
　　首先,建立了船舶三自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,為研究閉環(huán)系統(tǒng)特性提供一個(gè)基本的仿真平臺(tái),并可通過(guò)仿真研究進(jìn)一步評(píng)估控制系統(tǒng)的控制性能。同時(shí),介紹了在本論文中涉及到的基本知識(shí),包括穩(wěn)定性理論、反步法、滑?？刂评碚摵蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,為后續(xù)章節(jié)的研究打下基礎(chǔ)。
　　其次,采用常規(guī)反步法設(shè)計(jì)欠驅(qū)動(dòng)船舶的軌跡跟蹤控制器時(shí),由于涉及對(duì)虛擬控

3、制輸入信號(hào)反復(fù)求導(dǎo)的過(guò)程,所以存在計(jì)算量過(guò)大的缺點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,并為實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)船舶在模型參數(shù)不確定和外界風(fēng)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(guò)引入變換方程將軌跡控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為鎮(zhèn)定縱向速度和轉(zhuǎn)向角誤差,并進(jìn)一步設(shè)計(jì)船舶轉(zhuǎn)向角速度虛擬控制律鎮(zhèn)定轉(zhuǎn)向角誤差;然后采用積分方法設(shè)計(jì)基于上下界的滑?？刂破?克服了常規(guī)反步法對(duì)虛擬控制律求導(dǎo)復(fù)雜的問(wèn)題,減小了穩(wěn)態(tài)誤差

4、與超調(diào)問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的控制器能使欠驅(qū)動(dòng)船舶同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平面直線和曲線的有效軌跡跟蹤。
　　接著,為實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)船舶在存在風(fēng)浪流外界干擾和參數(shù)攝動(dòng)條件下的路徑跟蹤控制,設(shè)計(jì)一種基于可視距離的神經(jīng)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(dāng)前位置信息,分別設(shè)計(jì)船舶縱向速度和轉(zhuǎn)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為縱向速度和轉(zhuǎn)向角的鎮(zhèn)定問(wèn)題;利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和滑模方法相結(jié)合設(shè)計(jì)一種新的神經(jīng)滑模

5、魯棒控制器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬控制律的跟蹤控制,無(wú)需確定參數(shù)攝動(dòng)和外界干擾的上界,避免了控制器易出現(xiàn)飽和問(wèn)題和抖振現(xiàn)象。仿真實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的控制器對(duì)欠驅(qū)動(dòng)船舶的模型攝動(dòng)和外界干擾變化不敏感,可以實(shí)現(xiàn)路徑的理想跟蹤。
　　最后,針對(duì)模型參數(shù)不確定和外界風(fēng)浪流干擾情況下的欠驅(qū)動(dòng)船舶編隊(duì)控制問(wèn)題展開(kāi)了進(jìn)一步的研究。首先,對(duì)于領(lǐng)導(dǎo)-跟隨船舶編隊(duì)模型,考慮跟隨船僅能利用領(lǐng)航船的位置及轉(zhuǎn)向角信息,不能利用其速度及角速度信息這一特點(diǎn),采用虛擬領(lǐng)航者策

6、略,根據(jù)領(lǐng)航船的位置及轉(zhuǎn)向角信息和船舶隊(duì)形信息來(lái)設(shè)計(jì)虛擬船,使其軌跡與參考船在有限時(shí)間內(nèi)重合,進(jìn)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(lǐng)導(dǎo)-跟隨模式下的船舶編隊(duì)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和滑?？刂品椒ㄏ嘟Y(jié)合,設(shè)計(jì)一種欠驅(qū)動(dòng)船舶編隊(duì)神經(jīng)滑模魯棒控制器,同時(shí)給出了船舶編隊(duì)控制仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　本論文的研究成果具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣泛的工程應(yīng)用前景,部分成果亦可應(yīng)