基于Backstepping的船舶航向非线性控制方法的研究

发布时间：2017-06-30 17:14

  本文关键词：基于Backstepping的船舶航向非线性控制方法的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文通过对Backstepping设计方法的学习和研究，设计了一种基于Backstepping的船舶航向自适应鲁棒非线性控制器。 近年来，，非线性控制系统的研究越来越受到了很多学者的重视。特别是非线性系统几何理论的诞生，为非线性控制理论的发展提供了有利条件。Backstepping是非线性控制的一种强有力的工具，是一种基于Lyapunov稳定性理论的非线性控制方法，此方法是由Kokotovic于1991年首次提出的。在非线性控制领域中，Backstepping设计方法已经引起了广泛的关注。目前，它与自适应控制、鲁棒控制、PID控制、滑模变结构控制、模糊神经网络控制等控制方法的结合已经得到了应用。为了研究的需要本文介绍了一些Lyapunov稳定性的相关知识及Backstepping的设计原理。 众所周知，船舶航向控制系统模型存在严重的非线性。此外，由于装载状态、船速、外界环境干扰等时常发生变化，船舶航向控制系统模型中存在两种明显的不确定性，即模型参数和外界干扰的不确定性。鉴于上述问题，客观上提出了发展鲁棒性更强、适应性更好的船舶操纵控制器的要求，将有效的控制算法应用于船舶运动控制领域显得更为重要。为了便于设计，本文给出了具有不确定性船舶航向控制系统非线性数学模型，介绍了船舶航向控制的基本知识和控制原理。 一个未考虑鲁棒性的非线性自适应控制器，在外部干扰下可能导致整个闭环系统崩溃，从而出现了许多改进的自适应控制方案使系统具有一定的鲁棒性。本文通过运用Backstepping的设计方法，为参数化的严格反馈系统在不确定性存在的情况下，建立了一种自适应鲁棒控制方案。新的设计参数的引进避免了设计过程出现奇异值的现象。积分环节对于某些控制系统能够实现无差控制已为人们所共识，本文在Backstepping设计过程中引入了积分项，设计了一种带有积分器的非线性自适应鲁棒船舶航向控制器。仿真结果证明了所设计控制器的有效性。
【关键词】：Backstepping 自适应控制 Lyapunov 船舶航向控制 积分器
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：U666.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 非线性控制理论的发展10-11
• 1.2 船舶运动控制及自动舵的发展11-12
• 1.3 课题的提出12-13
• 1.4 论文研究内容13-15
• 第2章 稳定性理论基础15-20
• 2.1 引言15
• 2.2 稳定性的一般概念15-16
• 2.3 Lyapunov稳定性理论16-20
• 2.3.1 Lyapunov意义下的稳定性定义16-17
• 2.3.2 Lyapunov稳定性定理17-20
• 第3章 Backstepping设计工具20-32
• 3.1 Backstepping的概述20-24
• 3.1.1 Backstepping的设计方法20-23
• 3.1.2 Backstepping的发展23-24
• 3.2 自适应 Backstepping24-30
• 3.3 带有积分器的Backstpping设计30-32
• 3.3.1 问题的描述及设计过程30-31
• 3.2.2 结论31-32
• 第4章 船舶运动数学模型32-42
• 4.1 船舶平面坐标系32-34
• 4.2 船舶运动的一般方程34
• 4.3 状态空间型船舶运动数学模型34-37
• 4.3.1 二自由度状态空间型模型船舶数学模型34-37
• 4.3.2 三自由度状态空间型模型船舶数学模型37
• 4.4 船舶运动线性与非线性模型37-39
• 4.4.1 Nomoto船舶数学模型37-39
• 4.4.2 Norrbin非线性船舶运动模型39
• 4.5 舵机模型39-40
• 4.6 船舶运动的干扰信号40
• 4.7 具有不确定性的船舶运动数学模型40-42
• 第5章 船舶航向自适应鲁棒控制器的设计42-59
• 5.1 船舶航向控制42-46
• 5.1.1 船舶航向控制原理42-44
• 5.1.2 船舶航向控制的性能指标44-45
• 5.1.3 参考模型45-46
• 5.2 船舶自动舵的PID控制器的设计46-51
• 5.3 非线性船舶航向自动舵的Backstepping设计51-54
• 5.3.1 船舶航向跟踪非线性控制器设计51-53
• 5.3.2 仿真研究53-54
• 5.4 非线性船舶航向自适应鲁棒控制器的设计54-59
• 5.4.1 带有积分器的船舶航向自适应鲁棒控制器的设计54-57
• 5.4.2 仿真实例57-59
• 结论59-60
• 参考文献60-64
• 攻读学位期间公开发表论文64-65
• 致谢65-66
• 研究生履历66

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7 弗·弗·布舒叶夫;奥·克·齐普诺夫;史常任;;具有自适应控制供油系统的液体静压轴承[J];机床与液压;1989年04期

8 郑秋生;吴天福;;飞行器模拟加热装置的模型辨识和自适应控制[J];郑州大学学报(工学版);1991年02期

9 彭小奇;周孑民;梅炽;姚汝信;唐英;;炼镍用矿热电炉生产过程的计算机辅助模糊自适应控制[J];中南大学学报(自然科学版);1993年06期

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4 师五喜;;一类非线性离散时间系统直接自适应模糊控制[A];第25届中国控制会议论文集（中册）[C];2006年

5 李洪全;王京;;基于粒子群算法的自适应PID控制[A];冶金企业自动化、信息化与创新——全国冶金自动化信息网建网30周年论文集[C];2007年

6 杜涛;符曦;;基于模糊集理论的直流电动机自适应控制器的设计[A];1995年中国智能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会论文集（上册）[C];1995年

7 张纪会;武玉强;初学导;;输入受限的自适应控制[A];1996中国控制与决策学术年会论文集[C];1996年

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9 慕小武;张怀宙;;一类不确定非线性系统基于神经网络的自适应控制[A];1995年中国控制会议论文集（上）[C];1995年

10 孟凡利;张承进;;时变随机系统的自适应控制[A];1997中国控制与决策学术年会论文集[C];1997年

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1 羌菊兴 舒萦 凌鹰鹤 罗文钦（作者单位：宝钢集团宝钢股份公司）;自适应控制技术确保精确轧制[N];中国冶金报;2005年

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4 武铠 王志岐;情系航天[N];大众科技报;2005年

5 本报记者　 张少晨;06款梅赛德斯-奔驰Viano上市[N];中国工业报;2006年

6 中国网络通信集团公司江苏省分公司 梁文斌;通信机房节能降耗前景广阔[N];人民邮电;2008年

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