船舶航向自适应Backstepping控制器设计与仿真

发布时间：2020-10-27 06:50

　　 船舶在海上航行过程中,受到外部环境风、浪、流等干扰的影响,导致船舶航向控制系统中存在明显的不确定性。同时,船舶运动具有非线性的特点。因此,研究鲁棒自适应性能好的非线性船舶航向控制器成为研究热点。本文把海面上运动的船舶当作研究对象,采用Backstepping控制算法,对船舶航向控制进行了研究,主要完成了以下工作:1.考虑到海况复杂多变,探讨了环境扰动力(风、浪、流)的数学模型。从运动学和动力学的角度,对船舶运动的动态特性、船舶水动力特性进行探讨分析,建立了船舶运动数学模型。2.针对带有参数不确定的船舶航向非线性控制系统,基于反步法的设计理论,结合自适应控制算法,设计了船舶航向控制器。3.同时考虑到系统中存在的饱和现象,并且考虑到非线性船舶航向控制中的船舶参数和扰动的不确定性,采用了一种基于辅助系统的算法,设计了相应的航向保持控制器。4.在以上的基础上,同时考虑干扰和系统的输入饱和现象的存在,将非线性干扰观测器(NDO)和自适应控制算法相结合,设计的控制器可以不依赖系统模型,直接构建干扰观测器,鲁棒性更强。本文讨论的算法都能保证系统闭环稳定性,并且后两项工作考虑到系统的输入饱和现象,进一步增强系统的实用性,控制效果良好。Matlab仿真验证了算法的有效性。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U664.82
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?３．３?Ｓｈｉｐ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ａｎｇｌｅｄ?ｃｈａｎｇｅ?ｃｕｒｖｅ??图３．２和图３．３可以看出来，航向角ｖ能很好的跟踪设定航向，即航向；超调量为〇，调节时间为８０ｓ，动态性能良好；船舶航向在大约８０ｓ之控制结果令人满意。但是可以看到舵角的变化超出了控制器的控制范围以加上一个参考滤波器来对参考信号进项预滤波处理。如２．５．３节。??航向控制器设计中，期望参考航向％是光滑的，但是对于实际的参考信不可能的，选取二阶参考模型，就可以解决这一问题。让参考信号％通阶参考模型，得到的仏就是光滑的模型参考信号。??取的参考模型如２．５．３节，为：??－＝－￣￣－——Ｆ?（３．￥ｒ?ｓ?＋２＾〇）ｎ＋〇）ｎ??择合适的ｆ和％就能使期望信号仏达到能令人满意的跟踪效果。参考模

Ｆｉｇ．?３．５?Ｓｈｉｐ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｒｕｄｄｅｒ＾?ｃｈａｎｇｅ?ｃｕｒｖｅ??我们可以看出，考虑到扰动以后，控制舵角出现抖动，但是抖动较范围之内。加入参考滤波器之后，航向角基本没有变化，依然能很航向，即航向跟踪有效。控制舵角得到了明显的改善，舵角变化幅在一个合理的范围之内，打舵合理。这说明了选取的参考滤波器可数。此时，设计的控制器能使系统具有良好的动态性能，控制效果指标。??舶航向自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐ?ｉ?ｎｇ控制器研究??适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ的设计原理??统参数不确定时，可采用自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ的方法来进行参数估－２４－??

Ｆｉｇ．?３．５?Ｓｈｉｐ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｒｕｄｄｅｒ＾?ｃｈａｎｇｅ?ｃｕｒｖｅ??我们可以看出，考虑到扰动以后，控制舵角出现抖动，但是抖动较范围之内。加入参考滤波器之后，航向角基本没有变化，依然能很航向，即航向跟踪有效。控制舵角得到了明显的改善，舵角变化幅在一个合理的范围之内，打舵合理。这说明了选取的参考滤波器可数。此时，设计的控制器能使系统具有良好的动态性能，控制效果指标。??舶航向自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐ?ｉ?ｎｇ控制器研究??适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ的设计原理??统参数不确定时，可采用自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ的方法来进行参数估－２４－??
【参考文献】

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本文编号：2858208