欠驱动船舶轨迹跟踪滑模非线性控制研究

发布时间：2017-03-29 15:11

  本文关键词：欠驱动船舶轨迹跟踪滑模非线性控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：欠驱动船舶是一个特殊的非线性系统,具有多输入、多输出、强耦合、非完整性等特性。船舶在大洋航行中,风、浪、流等干扰引起的船舶运动干扰,究其本质可归为船舶模型参数摄动,而由于船舶装载质量和船速的动态变化,导致船舶模型参数不确定性。由于实际船舶速度状态矢量通常难以测量到,所以传统控制方法难以解决这个问题。随着快速发展的船舶与海洋工程系统中更多复杂的任务需求,探索新的船舶控制方法已经成为最近几年的热点。本文主要研究欠驱动船舶轨迹跟踪的滑模非线性控制,完成的主要研究工作如下：(1)针对欠驱动船舶速度状态矢量不可测的轨迹跟踪控制问题,设计了基于观测器的欠驱动船舶输出反馈滑模控制器。首先利用Lyapunov方法设计出稳定的观测器,然后根据期望轨迹与实际位置信息相结合设计出运动学回路速度虚拟控制律,通过速度误差的镇定实现轨迹跟踪误差的镇定控制。在动力学回路设计一阶、二阶滑模面,采用指数趋近律得到推力滑模控制律与转艏力矩滑模控制律,并利用Lyapunov方法进行系统稳定性分析。(2)针对存在模型参数不确定和外界干扰的欠驱动船舶轨迹跟踪问题,设计了RBF神经网络自适应滑模控制器。将外界干扰视为模型参数不确定部分,利用RBF可以逼近任意函数的特性,估计船舶模型的未知项。根据期望轨迹与实际位置信息相结合设计出运动学回路速度虚拟控制律,通过速度误差的镇定来实现轨迹跟踪误差的镇定控制。在动力学回路设计一阶、二阶滑模面,采用指数趋近律得到推力自适应滑模控制律与转艏力矩自适应滑模控制律,并利用Lyapunov方法进行系统稳定性分析。(3)对于上述设计的输出反馈滑模控制器与RBF神经网络自适应滑模控制器进行了仿真验证。仿真结果表明,上述控制算法均可实现对封闭型轨迹与开放型轨迹的精确跟踪控制,从而验证了所设计控制算法的有效性。
【关键词】：欠驱动船舶 非线性系统 滑模控制 RBF神经网络 轨迹跟踪
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.82;TP13
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题背景和意义10-11
• 1.2 欠驱动水面船舶轨迹跟踪控制研究现状11-14
• 1.3 论文主要工作14-15
• 第2章 欠驱动船舶轨迹跟踪非线性控制理论基础15-24
• 2.1 Lyapunov稳定性理论15-18
• 2.1.1 基本概念15-16
• 2.1.2 Lyapunov稳定性定理16-18
• 2.1.3 Barbalat引理18
• 2.2 滑模变结构控制18-21
• 2.2.1 滑模变结构控制基本原理18-20
• 2.2.2 滑模变结构控制的定义20
• 2.2.3 几种典型的趋近律20-21
• 2.3 神经网络方法21-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 基于观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪输出反馈滑模控制24-47
• 3.1 控制问题描述24-25
• 3.2 观测器设计25-27
• 3.2.1 构造观测器25-27
• 3.2.2 观测器稳定性分析27
• 3.3 运动学回路虚拟控制律设计27-28
• 3.4 动力学回路滑模控制律设计28-30
• 3.4.1 纵向推力滑模控制律设计28-29
• 3.4.2 转向力矩滑模控制律设计29-30
• 3.5 系统稳定性分析30-31
• 3.6 仿真研究与分析31-46
• 3.6.1 封闭型轨迹跟踪32-39
• 3.6.2 开放型轨迹跟踪39-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第4章 欠驱动船舶轨迹跟踪RBF神经网络自适应滑模控制47-69
• 4.1 控制问题描述47-48
• 4.2 运动学回路虚拟控制律设计48-49
• 4.3 动力学回路滑模控制律设计49-53
• 4.3.1 纵向推力滑模控制律设计49-51
• 4.3.2 转向力矩滑模控制律设计51-53
• 4.4 系统稳定性分析53-54
• 4.5 仿真研究与分析54-68
• 4.5.1 封闭型轨迹跟踪54-61
• 4.5.2 开放型轨迹跟踪61-68
• 4.6 本章小结68-69
• 第5章 结论与展望69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75

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