船舶非线性航迹跟踪控制器设计

摘要

本文研究船舶航迹跟踪控制问题。采用精确反馈线性化和Backstepping两种非线性控制方法,设计了船舶航迹跟踪控制器。船舶动态具有大惯性、时滞、非线性等特点;船在航行中又易受风、浪、流等环境因素的影响,使得船舶航迹控制成为一个非线性控制问题。采用传统PID控制策略及常规控制策略已远不能满足控制性能和系统鲁棒性的要求。因此,该领域仍存在需要进一步研究的问题:一是船舶运动数学模型的非线性问题;二是用于控制器设计的模型存在干扰问题。鉴于上述问题,如何将一些更为有效的控制算法应用于船舶运动控制领域显得更为重要。而非线性控制理论在各领域受到的广泛重视为船舶的操纵控制提供了一种新的启示。
　　本文概述了非线性控制理论的发展历程,特别讨论了近20几年来最具代表性的、具有里程碑意义的两种非线性设计方法,即精确反馈线性化方法和Backstepping算法,并对两种方法进行了比较。此外,简单介绍了Lyapunov稳定性理论及精确反馈线性化方法和Backstepping算法的设计原理。船舶运动模型是研究船舶运动控制的基础,它存在严重的非线性。而许多研究船舶航迹控制的文献大多采用线性船模,有些虽然采用非线性船模,但所得的控制效果有一定的局限。
　　本文针对非线性船舶平面运动数学模型,首先基于精确反馈线性化方法设计了船舶航迹跟踪控制器。进一步,考虑到船舶受到由慢变的风、浪、流等环境因素引起的恒值干扰,针对带有恒值扰动的非线性船舶平面运动数学模型,基于带积分器的Backstepping控制算法设计了船舶航迹跟踪控制器。最后,应用Matlab/Simulink仿真工具以一条模型船为对象,对用两种方法所设计的控制器分别进行计算机仿真研究,仿真结果表明,船舶实际航迹能够跟踪期望航迹,达到了满意的控制效果,验证了所设计控制器的有效性。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 非线性控制理论的发展

1.3 船舶航迹控制国内外研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 Lyapunov稳定性理论

2.1 Lyapunov稳定性定义

2.2 Lyapunov稳定性定理

第3章 非线性控制理论

3.1 精确反馈线性化方法

3.1.1 基本概念

3.1.2 精确反馈线性化设计原理

3.2 Backstepping设计方法

3.2.1 非线性Backstepping设计原理

3.2.2 带积分器的Backstepping设计原理

第4章 非线性船舶平面运动模型

4.1 船舶平面运动学方程

4.2 船舶平面动力学方程

第5章 船舶航迹控制器设计

5.1 基于精确反馈线性化方法的船舶航迹跟踪控制器设计

5.1.1 控制器设计

5.1.2 仿真研究

5.2 基于Backstepping算法的船舶航迹跟踪控制器设计

5.2.1 控制器设计

5.2.2 仿真研究

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历