欠驱动船舶轨迹跟踪与编队控制算法研究

发布时间：2020-10-22 08:34

　　 众所周知,世界贸易的最大运输保障是海洋运输,海洋运输由于其运输成本低,运输量大而备受欢迎。在海洋运输中,船舶是其最主要的运输载体,船舶运输是国际贸易的根本保障。伴随着国际贸易的频繁、交易量的增长和大型远洋集装箱船的兴起,能够适应长路途、大容量的现代化智能船舶越来越得到国际贸易的青睐,加之各国海军装备技术的不断提高,军民共用技术的普及和发展,船舶运动控制技术成为了学术界的研究热点。在船舶运动控制中,由于欠驱动船舶横漂运动方向没有推进设备,使得其相比于全驱动船舶更具挑战性。欠驱动船舶具有强耦合、模型不确定等非线性特性,其运动控制存在外界时变干扰和船舶操纵性约束等特点。在欠驱动船舶的研究领域中,单船控制和编队控制是两大主要课题,其中,单船控制是基础。然而,伴随着船舶任务多样性的发展趋势,基于单船控制衍生而来的船舶编队控制也越来越得到学术界的关注。相对于单船控制,编队控制在海洋搜救、资源勘探、海洋科考、船舶救援、远洋补给等方面优势明显。因此,探索欠驱动船舶的单船控制和编队控制方法,不仅对我国掌握船舶控制技术自主知识产权有很重要的意义,也符合我国加快建设海洋强国的国家战略要求。本文在船舶三自由度运动模型的基础上,深入分析了欠驱动船舶的非线性控制特性,结合了船舶模型不确定性和扰动时变等特性,对欠驱动船舶轨迹跟踪控制和编队控制进行了系统的研究。主要研究内容如下:(1)针对欠驱动船舶轨迹跟踪控制中的虚拟控制律求导复杂和外界扰动未知等特性,提出了基于自适应PI滑模和估计扰动上界控制方法。通过引入虚拟速度变量,将轨迹跟踪控制问题转化为控制误差镇定问题,采用PI滑模控制和反步控制克服系统虚拟控制律求导复杂问题。利用分步标量函数的设计,给出系统控制器设计具体方案。直观地给出了控制系统设计原理,增加了控制系统设计的直观性。采用估计扰动上界的控制方法补偿外界未知扰动,处理外界未知扰动对闭环控制系统的影响。最后,通过闭环系统控制器的设计和系统稳定性分析,得到闭环系统系统半全局一致有界特性。(2)考虑工程实际需求,深入分析了在采用自适应PD滑模和参数估计控制方法设计欠驱动船舶轨迹跟踪控制器时,存在扰动一阶可导的假设问题,以及现有欠驱动船舶轨迹跟踪控制研究中,采用基于符号函数的滑模动态控制律设计造成系统抖振等问题。提出了一种基于PI连续滑模控制和扰动上界估计的控制算法。通过将控制输出分为处理未知扰动和模型不确定两部分进行处理,在处理模型不确定时采用连续滑模动态控制律设计方法,从而避免由符号函数带来的系统抖振。在处理控制系统外界未知扰动问题中,利用估计扰动上界的方法可以有效的避免扰动一阶可导假设等问题,使得控制算法在实际工程中更加有效。(3)针对现存船舶轨迹跟踪算法中需要基于横漂速度无源有界的假设,本文提出一种放宽此种假设的船舶轨迹跟踪算法。通过构造虚拟控制,建立虚拟控制量与横漂速度之间的数学关系,利用坐标转化将系统轨迹跟踪问题转化为控制误差镇定问题。采用自适应PI滑模和参数估计方法进行控制器设计,实现了欠驱动水面船轨迹跟踪控制。最后通过李雅普洛夫稳定性证明了闭环系统的稳定性,得出闭环系统半全局一致有界收敛特性。(4)在研究单船轨迹跟踪的基础上,研究了基于领导-跟随法的欠驱动船舶编队控制问题。分析了欠驱动领导船和跟随船同时存在模型不确定和外界环境扰动未知的特性,利用自适应PI滑模和扰动估计上界方法进行编队控制系统设计。在控制器的设计中,通过采用自适应鲁棒滑模和扰动上界估计控制,实时估计系统的模型参数和外界环境扰动,降低了编队控制对船舶精确模型的依赖,提高了控制系统的控制精度。为了减轻因系统信息传输带来的网络负担并降低船载速度测量设备成本,采用自适应控制来补偿领导船的动态速度信息,从而降低了对领导船动态速度信息的依赖。最后,对本文所做工作进行了总结,展望了考虑船舶避碰、避障以及最优编队性能指标下船舶编队控制研究等后续的研究方向。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U664.82
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景及其意义
    1.2 国内外研究现状和成果
        1.2.1 欠驱动轨迹跟踪控制研究现状
        1.2.2 欠驱动船舶编队控制研究现状
    1.3 现阶段研究存在的问题和不足
    1.4 本文主要的工作与内容
第二章 基于自适应PI滑模欠驱动船舶轨迹跟踪控制
    2.1 引言
    2.2 问题描述
    2.3 欠驱动船舶控制器算法设计及其稳定性分析
        2.3.1 反步递归设计
        2.3.2 系统稳定性分析
    2.4 对比数值仿真
    2.5 本章小结
第三章 基于PI滑模和扰动估计上界欠驱动船舶轨迹跟踪控制
    3.1 引言
    3.2 问题描述
    3.3 控制器算法设计及其稳定性分析
        3.3.1 控制器算法设计
        3.3.2 系统稳定性分析
        3.3.3 横漂速度无源有界性分析
    3.4 对比数值仿真
    3.5 本章小结
第四章 无横漂速度无源有界假设下欠驱动船舶轨迹跟踪控制
    4.1 引言
    4.2 问题描述
    4.3 控制器算法设计及其稳定性分析
        4.3.1 控制器算法设计
        4.3.2 系统稳定性分析
    4.4 数值仿真
        4.4.1 对比数值仿真
    4.5 本章小结
第五章 欠驱动船舶鲁棒自适应滑模编队控制
    5.1 引言
    5.2 问题描述
        5.2.1 船舶编队数学模型
        5.2.2 领导跟随控制
    5.3 欠驱动船舶编队控制器算法设计及其稳定性分析
        5.3.1 基于领导-跟随的船舶自适应编队控制算法设计
        5.3.2 系统稳定性分析
    5.4 数值仿真
        5.4.1 仿真结果
        5.4.2 对比数值仿真
    5.5 本章小结
第六章 总结和展望
    6.1 全文总结
    6.2 研究展望
参考文献
致谢
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【参考文献】

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本文编号：2851360