欠驅(qū)動水面船舶的全局鎮(zhèn)定控制方法研究.pdf

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

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坐標系中，實現(xiàn)多變量耦合狀態(tài)的初步解耦，并對系統(tǒng)之間的相互影響進行了穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果使得在控制器設(shè)計中只考慮低階本質(zhì)非線性子系統(tǒng)的狀態(tài)收斂性即可，由此簡化了控制器的設(shè)計，最后利用反步法設(shè)計了以艏搖狀態(tài)作為切換條件的點鎮(zhèn)定控制律，實現(xiàn)了欠驅(qū)動水面船舶系統(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，從而最終以時不變切換控制的方式實現(xiàn)了其全局漸

3、近鎮(zhèn)定。
　　 (2)為克服時不變切換控制本身帶有的非連續(xù)性缺陷，實現(xiàn)欠驅(qū)動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現(xiàn)控制器設(shè)計的初步簡化，然后通過引入一種時變狀態(tài)變換，進一步將本質(zhì)非線性系統(tǒng)解耦為一個線性子系統(tǒng)和一個線性時變子系統(tǒng)，從而將整個本質(zhì)非線性強耦合系統(tǒng)的點鎮(zhèn)定控制問題轉(zhuǎn)化為兩個具有單向耦合影響的線性子系統(tǒng)的點鎮(zhèn)定問題。最后通過為每個線性子系統(tǒng)分

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

5、了欠驅(qū)動船舶的全局K指數(shù)航跡跟蹤，并通過數(shù)值仿真驗證了所提方法的有效性。
　　 (4)為解決欠驅(qū)動水面船舶的模型參數(shù)辨識不精確下參數(shù)攝動及外界環(huán)境干擾下的航跡跟蹤控制問題，利用基于上下界的滑?？刂品椒ㄔO(shè)計了滑模跟蹤控制器，克服了欠驅(qū)動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“persistent excitation(PE)”的技術(shù)難題。首先利用反步法將控制器的設(shè)計過程分解為運動學(xué)回路和動力學(xué)回路兩個過程分別進行控制器設(shè)計