鲁棒滑模反步控制法及其在减摇鳍中的应用

摘要

本文对一类可以代表相当广泛的非线性系统的模型给出了鲁棒反步法和动态鲁棒反步法的设计过程,并对一类二阶级联系统给出了两种控制算法.论文给出的控制方法能够克服系统的不确定性,并有很好的鲁棒性.论文所研究的非线性系统是一类广泛的半严格反馈系统,系统的不确定性包括有界的参数不确定性,有界的输入增益的不确定性以及未知但有界的非线性方程和外部干扰.在控制方法设计中主要应用了反步法(Backstepping)和滑模控制法.反步法用来递归设计每一步中的虚拟控制器,而每一步中的虚拟控制器以及最后的实际控制器利用滑模控制实现,对系统的不确定性进行补偿.论文给出的滑模反步法适用的系统范围更广泛,利用控制参数来决定每一步中的循迹误差.而且每一步中的虚拟控制能够补偿前一个子系统传递来的误差.在此基础上,论文给出了动态鲁棒反步法的设计过程.这种方法的主要优点在于利用过滤器避免了每一步中对虚拟控制器的求导,过滤器的应用大大简化了控制器设计步骤.而且转换后的动态系统只含有较小的不确定性,因此每一步中的控制器只需要一个较小的增益来保证子系统的稳定.其次,对于海浪干扰下的船舶,论文利用能量等分法给出了建立随机海浪模型的方法,提出了减摇和未减摇船舶横摇运动的计算方法,并通过仿真与实船数据的比较证明了论文提出方法的可行性.最后建立了船舶运动的非线性数学模型,利用论文给出的滑模反步法设计了鲁棒控制器的有效性,仿真结果证明了横摇控制器完全可以实现系统设计的要求,而且也证明了这一控制算法具有较好的鲁棒性.

目录

文摘

英文文摘

哈尔滨工程大学学位论文原创性声明

第1章绪论

1.1不确定非线性系统鲁棒控制概述

1.2李亚普诺夫理论在鲁棒控制中的应用

1.3反步法在鲁棒控制中的应用

1.4滑模控制在鲁棒控制中的应用

1.5连续可微的滑模控制器

1.6论文完成的工作

第2章非线性系统的几何理论与稳定性研究

2.1引言

2.2微分几何理论基础

2.2.1光滑函数与光滑向量场

2.2.2李导数与李括号

2.2.3非线性系统的相对阶

2.2.4微分同胚

2.3 李亚谱诺夫稳定性理论

2.3.1稳定性定义

2.3.2稳定性定理

2.3.3 李亚谱诺夫稳定性理论的推广-LaSalle不变集理论

2.4本章小结

第3章半严格反馈系统的鲁棒滑模反步法

3.1引言

3.2背景知识

3.3广泛的半严格反馈系统

3.4鲁棒滑模反步控制法

3.5二阶级联系统的鲁棒滑模反步控制法

3.6关于鲁棒反步法控制器的分析

第4章动态鲁棒滑模反步法

4.1引言

4.2背景知识

4.3动表面控制鲁棒滤波器

4.4半严格反馈系统的动态鲁棒反步法

4.5级联二阶系统的动态鲁棒反步法

4.6动态鲁棒反步法控制器的分析

4.7本章小结

第5章海浪干扰下船舶横摇运动的计算

5.1引言

5.2随机海浪的数学模型

5.3未减摇船舶横摇运动的计算

5.4减摇后船舶横摇运动的计算

5.5系统仿真及分析

5.6本章小结

第6章反步滑模控制器在减摇系统中的应用

6.1引言

6.2船舶横摇运动的非线性模型

6.3反步滑模控制器设计及仿真

6.4本章小节

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢