欠驱动水面船舶的镇定控制研究

发布时间：2017-09-02 17:06

  本文关键词：欠驱动水面船舶的镇定控制研究

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【摘要】：如今在控制科学领域各国研究学者们主要关注的热点问题是如何实现用较少的控制输入达到对多自由度被控对象的控制,这类问题是一类欠驱动控制问题。欠驱动系统指控制输入数目比系统的广义坐标变量或自由度数目少的系统。对欠驱动船舶的研究意义在于不仅能降低系统费,而且控制器的减少可减轻船舶重量。 本文研究关于欠驱动水面船舶的镇定控制问题,且重点考虑了欠驱动水面对称船舶和欠驱动水面不对称船舶的镇定。通常船舶只有左右对称性,而没有前后对称性,这就意味着数学模型中惯性参数矩阵M以及阻尼矩阵D(v)的非对角元素不为零。然而,现有的大量针对船舶镇定控制研究的文献中,都默认船舶为对称船舶,即船舶前后左右都对称,也就是忽略了上述的非对角元素,弱化了运动状态之间的耦合特性。本文将针对只具有螺旋桨以及舵机的水面船舶(即是欠驱动水面船舶)分别展开欠驱动对称船舶和欠驱动不对称船舶的镇定控制研究。 本文以常规的水面船舶为研究对象,从运动学特性和动力学特性两个方面介绍了三个自由度的水面船舶动态特性,并建立了欠驱动对称和不对称船舶的数学模型。对欠驱动水面对称和不对称船舶进行微分同胚变换,并证明了只要其中是一个子系统能够达到渐进稳定,即可说明整个系统也能实现渐进稳定。同时介绍了一类用全局指数稳定控制法设计的控制律,此方法为欠驱动不对称船舶镇定控制的研究提供了分析的方法以及思路。 通过反步法和级联系统理论结合,把经过微分同胚变换后的欠驱动水面船舶系统分解为两个子系统经积分环节串联的方式,使用李雅普诺夫函数设计控制器稳定其中一个子系统,最后用反步法思想使得欠驱动水面船舶实现全局一致渐进稳定,且收敛到原点。 最后搭建Simulink仿真,对利用反步法得到的对称船舶和不对称船舶控制器分别进行验证仿真,实验表明本文设计的控制器控制效果比较理想,能够使得系统的各状态收敛于原点。且相对指数镇定方法,反步法的设计更为简单直接。最后对比仿真曲线发现不对称船舶的非对角线元素对系统镇定会有影响。
【关键词】：欠驱动水面船舶 镇定控制 级联系统 不对称船舶 反步法
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 选题背景及研究意义10-12
• 1.2 本课题的研究现状12-16
• 1.2.1 欠驱动船舶的发展12-15
• 1.2.2 欠驱动水面船舶镇定控制方法研究现状15-16
• 1.3 本文主要研究内容与结构16-18
• 第2章 欠驱动水面船舶运动的数学模型18-31
• 2.1 参考坐标系以及符号定义18-20
• 2.2 船舶运动特性20-25
• 2.2.1 运动学特性20-21
• 2.2.2 动力学特性21-25
• 2.3 水平面运动数学模型25-29
• 2.4 欠驱动水面船舶运动的控制特性29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 一类欠驱动不对称船舶的镇定方法31-44
• 3.1 引言31
• 3.2 欠驱动不对称船舶运动模型的微分同胚变换31-35
• 3.3 欠驱动不对称船舶的全局K指数镇定设计35-39
• 3.4 仿真结果39-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 基于Backstepping算法的船舶镇定控制器设计44-57
• 4.1 Backstepping简介44-47
• 4.2 欠驱动对称船舶运动模型的微分同胚变换47-50
• 4.3 基于Backstepping的控制器设计50-56
• 4.3.1 欠驱动水面对称船舶的Backstepping控制器设计50-53
• 4.3.2 欠驱动水面不对称船舶的Backstepping控制器设计53-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 仿真结果与分析57-72
• 5.1 Simulink仿真搭建57-59
• 5.1.1 系统框图设计57-59
• 5.2 欠驱动水面对称船舶的镇定仿真曲线59-63
• 5.3 欠驱动水面对称船舶的抗干扰能力验证仿真曲线63-67
• 5.4 欠驱动水面不对称船舶的镇定仿真曲线67-70
• 5.5 仿真结果分析70-72
• 结论72-74
• 参考文献74-77
• 致谢77

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 毕凤阳;欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

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本文编号：779778