基于扰动观测器的自适应滑模欠驱动船航迹控制研究

摘要

现代航运事业的快速发展，促使海上交通密集程度大大加深，为了切实保障船舶安全地航行，同时考虑提升船运的综合经济效益，人们对船舶的运动控制提出了更高层次的要求。精确的船舶航迹控制，不仅可以减轻舵手的操作次数、缩短航行距离、节约燃料，而且符合某些特殊作业船的需求。常规的水面船舶普遍属于欠驱者动的，所以针对欠驱者动船的航迹控者制对航运事业的发展有重要的实际价值。 欠驱动水者面船舶属于一类特殊的非线性系统，具有惯者性大、耦者合性强、非完整者性约束、模型参数不确定等特性，针对这样复杂的非线性系统，研究船舶航迹控制的主要难点在于如何处理其非线性和不确定性，常规的控制方法无法得到理想的控者制效果，所以为了满足正常航运的需求并推动现代航运事业的发展，引入新的控制策略迫在眉睫。本课题是针对于欠驱者动水面船，对其航迹跟踪的滑模控制进行研究。具体从以下几个方面进行论述： 第一，经过合理简化，建立欠驱动船舶在水平面三自由度下的数学模型，然后进行水平面直航和水平面回转仿真实验，来验证模型的直航性能和回转性能，说明所建立模型的正确性和有效性，其目的主要是给后续控制器的设计提供必备条件。 第二，利用传统的滑模控制方法，将航迹控制器的设计分为两个部分：在运动学回路控制器设计中，将实时的位置跟踪问题转变为实时的速度跟踪问题，并且设计了新的虚拟参考速度量，再采用鲁棒性好的滑动模态控制方法，设计动力学回路控制器，该控制器由纵向推力滑模控制律和回转力矩滑模控制律组成；并且利用 Lyapunov稳定性条件和滑模面到达条件确定滑模控制器参数，该控制方法参数的确定是在参数摄动和外界干扰上界已知的条件下计算得到。 第三，针对滑模控制器的抖振问题，并为了提升系统跟踪的精度，考虑船舶模型中的参数摄动和外界环境干扰的影响，将欠驱动水面船的动力学方程转换为一类典型的MIMO系统，设计了基于扰动观测器的自适应滑模船舶航迹控制器。将模型参数的摄动视为一种模型内部的扰动，利用非线性扰动观测器在线估计时变干扰，在控制器中添加等量的补偿，从而达到抑制干扰的目的。对于传统滑模控制器当中的“抖振”问题，引入边界层理论，采取自适应的方法，实时地调整边界层的厚度，以达到削弱抖振并且提高控制精度的目的。 最后，仿真结果表明本文所设计的控制器能够较好地估计复合干扰，跟踪精度相较于传统滑模控制器也有所提高，控制器设计合理有效。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 欠驱动船舶的控制难点

1.3 欠驱动水面船的控制方法

1.4 欠驱动水面船航迹控制国内外研究现状

1.5 论文主要工作内容

第2章 欠驱动船舶数学模型的建立及仿真验证

2.1 引言

2.2 参考坐标系及符号定义

2.3欠驱动水面船舶运动特性

2.4 欠驱动水面船的数学模型

2.5 本章小结

第3章 欠驱动水面船滑模航迹控制

3.1引言

3.2李雅普诺夫稳定性理论[92]

3.3 滑模变结构控制算法

3.4 欠驱动水面船滑模航迹控制器设计

3.5 仿真结果及分析

3.6 本章小结

第4章 基于扰动观测器的欠驱动船自适应滑模航迹控制

4.1 引言

4.2 扰动观测器简介

4.3 基于NDO的欠驱动船舶自适应滑模航迹控制设计

4.4 仿真验证

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢