基于非线性Backstepping的船舶航向控制器设计

发布时间：2017-05-13 12:12

  本文关键词：基于非线性Backstepping的船舶航向控制器设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 本文对反向递推(Backstepping)设计方法及鲁棒自适应反向递推设计方法在非线性船舶航向控制器中的应用进行了研究。Backstepping设计方法是近几年兴起的一种基于Lyapunov稳定性理论的比较先进的非线性控制方法。因此，本文首先对目前常见的非线性控制方法进行了概述，简单的介绍了Lyapunov稳定性理论及Backstepping算法设计原理，进而对Backstepping设计方法与精确反馈线性化方法进行了比较研究，总结出Backstepping方法的优点及局限；然后本文根据目前船舶航向控制中普遍存在的两个问题：船舶操纵运动的非线性及船舶响应模型存在不确定性进行了讨论，分别应用Backstepping方法及自适应Backstepping方法设计了静态的和动态的船舶航向控制器，使系统在平衡点全局渐近稳定，并取得了很好的控制跟踪效果。 本文对Backstepping设计方法与精确反馈线性化方法进行了系统的比较研究，通过系统仿真得出Backstepping设计方法克服了精确反馈线性化方法需要精确的数学模型的缺点，同时Backstepping不全消非线性项，从而减少了控制器的能量消耗。仿真结果令人满意。 在船舶航向控制方面，考虑船舶的稳态回转非线性，应用Backstepping方法设计：首先把系统化成单入单出的严格反馈控制形式(呈下三角结构)，，假设系统后一个状态变量是前一个状态变量的虚拟控制，通过适当的变量代换，在每一步构造李亚普诺夫函数，使前一子系统在虚拟控制下渐近稳定，逐步递推出控制器控制规律，使整个系统在平衡点满足一致渐近稳定性。在存在舵机非线性和海浪干扰的情况下，分别跟踪阶跃响应及正弦曲线，航向跟踪效果很好，几乎无偏差跟踪，且打舵小，具有较强的鲁棒性。 由于船舶非线性响应模型中含有未知常参数的不确定项，因此采用自适应Backstepping的方法，选择参数自适应调节律，设计动态的船舶航向控制器，实现在线控制。通过调节控制器的参数，保证闭环系统状态、控制信号全局有界。
【关键词】：船舶航向控制 Backstepping反向递推方法 自适应控制 非线性 鲁棒性 李亚普诺夫函数
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：U666
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 引言7-12
• 1.1 非线性控制方法概述7-10
• 1.1.1 非线性控制方法7-9
• 1.1.2 Backstepping发展历史9-10
• 1.2 研究课题的提出10-11
• 1.3 论文的结构11-12
• 第2章 Lyapunov稳定性理论12-15
• 2.1 Lyapunov稳定性12-13
• 2.1.1 平衡状态12
• 2.1.2 Lyapunov稳定性12-13
• 2.2 Lyapunov直接法(第二法)13-15
• 2.2.1 Lyapunov函数13
• 2.2.2 Lyapunov直接法13-15
• 第3章 Backstepping反向递推设计方法15-29
• 3.1 积分器Backstepping15-20
• 3.2 非线性Backstepping20-22
• 3.2.1 Lie导数20-21
• 3.2.2 严格反馈控制形式21-22
• 3.3 自适应Backstepping22-24
• 3.4 Backstepping与精确反馈线性化的对比研究24-29
• 3.4.1 精确反馈线性化24-25
• 3.4.2 Backstepping方法25
• 3.4.3 对比性研究25-27
• 3.4.4 结论27-29
• 第4章 非线性船舶操纵运动数学模型29-33
• 4.1 船舶平面运动坐标系29
• 4.2 船舶操纵特性29-30
• 4.3 非线性船舶操纵运动的数学模型30-31
• 4.4 舵机的数学模型31-32
• 4.5 环境扰动的数学模型32-33
• 第5章 船舶航向控制器设计33-49
• 5.1 船舶航向控制的性能指标33-34
• 5.1.1 航向保持问题的控制性能指标33
• 5.1.2 航向改变问题的控制性能指标33-34
• 5.2 滤波34-35
• 5.3 非线性船舶自动舵Backstepping设计35-44
• 5.3.1 控制器设计35-38
• 5.3.2 稳定性分析38
• 5.3.3 仿真38-42
• 5.3.4 仿真中(?)_d如何选取的讨论42-43
• 5.3.5 结论43-44
• 5.4 含有不确定项的鲁棒自适应Backstepping船舶自动舵设计44-49
• 5.4.1 含有未知常参数的船舶操纵运动模型44-45
• 5.4.2 自适应Backstepping控制器设计45-47
• 5.4.3 仿真结果47-48
• 5.4.4 结论(稳定性和鲁棒性分析)48-49
• 第6章 结论49-50
• 攻读学位期间公开发表的论文与奖励50-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-54

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