欠驱动船舶航迹跟踪自适应鲁棒控制研究

发布时间：2020-11-22 05:00

　　 船舶航迹跟踪是指船舶航行时,从初始位置驶入预先规划好的航线,并沿此航线最终抵达目的地的一个过程。欠驱动船舶是指船舶控制输入量个数少于船舶自由度的水面船舶。目前,欠驱动船舶在海上作业中扮演着重要的角色,对推动海上贸易做出了重大贡献,另外在军事领域和其它工程上也都得到了广泛应用。在海上航行过程中,由于船舶的操纵条件和所处的海洋环境等时常发生变化,船舶动态及所遭受的扰动存在明显的不确定性,并且可能存在速度不可测的情况。船舶推进系统由于其物理限制,导致其所提供的控制力和力矩会受到约束。另外,当船舶在受限海域内航行时,考虑航行安全问题,船舶航迹受到一定的约束。因此,开展欠驱动船舶航迹跟踪控制研究,具有重要的理论意义和应用价值。本文首先建立欠驱动船舶运动数学模型;然后,针对欠驱动船舶航迹跟踪控制问题,在扰动时变未知的情况下,应用自适应技术设计自适应律,估计未知时变扰动的上界,并结合输出重定义方法和指令滤波反步法,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律;进一步,考虑速度不可测的情况,构造滑模状态观测器,根据船舶实际航迹和控制输入,在线估计船舶速度,并结合输出重定义方法、自适应技术和指令滤波反步法,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律。考虑存在输入饱和、扰动时变未知和速度不可测的情况下,设计辅助设计系统,降低输入饱和的影响,构造滑模状态观测器在线估计船舶速度,并结合输出重定义方法、自适应技术和指令滤波反步法,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律。另外,在船舶存在动态不确定性、扰动时变未知和速度不可测的情况下,构造扩张状态观测器,根据船舶实际航迹和控制输入,在线估计由船舶动态不确定性、未知时变扰动以及船舶各自由度运动状态变量间的耦合构成的总扰动和船舶速度,并结合输出重定义方法和动态逆控制方法,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律;进一步,考虑船舶输出受限的情况,采用误差变换方法处理输出受限问题,构造扩张状态观测器估计总扰动和船舶速度,并结合输出重定义方法和动态逆控制方法,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律。最后,以一艘欠驱动船舶为对象,利用Matlab/Simulink对上述所设计的欠驱动船舶航迹跟踪控制律进行仿真试验,仿真结果表明所设计的欠驱动船舶航迹跟踪控制律的有效性。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U664.82
【部分图文】：

Ｊ???欠驱动船舶航迹跟踪自适应鲁棒控制研究???２数学模型和预备知识??本章将建立三自由度欠驱＆船舶水面运动数学模型，并介绍欠驱动船舶航迹跟踪控??制律设计所需要的预备知识，ｆ后续章节的控制研究奠定基矗??２．１欠驱动船舶水面运苟｝数学模型??Ｉ??＾?＇?Ｘｂ??＇丨丨＼??〇￡?Ｘ?Ｙｅ??图２．１北东坐标系和附体坐标系??Ｆｉｇ．?２．１?Ｎｏｒｔｈ－ｅａｓｔ?ｆｒａｍｅ?ａｎｄ?ｂｏｄｙ－ｆｉｘｅｄ?ｆｒａｍｅ??建立北东坐标系和附体坐标系如图２．１所示，为北东坐标系，（９￡为海上任??意一点，轴指向正北，轴指向正东；为附体坐标系，为船舶的重??心，＆指向船首，＜９，｝；指向船舶右舷。忽略船舶的垂荡、横摇和纵摇运动的影响，??只考虑船舶的前进、横漂和艏摇三个自由度的水平面运动，建立欠驱动船舶运动非线性??数学模型［３７］为??ｉ）?＝?Ｊ｛ｒｊ）ｏ?（２．１）??Ｍｉ＞?－?－Ｃ（ｖ）ｕ－Ｄ（ｕ）ｖ?＋?ｚ?＋?ｔｗ?（２．２）??式中，；；＝为北东坐标系下的船舶位置向量，由船舶实际位置和艏摇角Ｖ组??成，Ｖ是船首向与０￡Ｚ￡轴的夹角，逆时针为正；ｕ?＝?［？，ｖ，ｒｆ为附体坐标系下的速度向??量，分别由船舶前进速度《，横漂速度ｖ以及艏摇角速度ｒ组成；为北东坐标系与??附体坐标系的旋转矩阵，且满足厂１＾卜Ｍ为船舶的惯性矩阵；Ｃｈ）为科里奥??利和向心力矩阵；乃＾：）为非线性阻尼矩阵；ｒ?＝?ｈ，０＋；Ｔ为船舶推进器提供的控制向量，??由前进方向控制力ｒ？和艏摇方向控制力矩且成；￣?＝?代表风、浪、流等??－６?－??

Ｆｇ．．ｕｒｖｅｓ?ｏｔｍｅ－ｖａｒｙｎｇ?ｓｔｕｒａｎｃｅｓ?ａｎｔｅｒｏｕｎｓ?ｏｅｓｔｍａｔｏｎｓｎ?ｃａｓｅ?１??？?ｊ??情况２?：选取一阶马尔科夫过程的参数为７；?＝?—ｇ（ｌ?０００，１０００，１０００）和??ｈ?＝（／／ａｇ（ｌ〇〇〇，ｌ〇〇〇，ｌ〇〇〇）。船舶期望航迹为；＾?＝（１００?＋?６，）ｍ，－４００ｍ（？＜５〇）；??ｘｄ?＝（４００?＋?２００ｓｉｎ（０．０３？））ｍ?，?ｙｄ?－?（２００?＋?２００?ｃｏｓ（〇．０３？））ｍ?（５０?＜?ｆ?＜?１００＾／３?＋?５〇）；??？＝（４００－６，）ｍ，ｈ?＝〇ｍ（，＞?１００冗／３?＋?５０）。船舶初始位置为?ｘ（０）?＝?８０ｍ，ｊ；（０）?＝?３７０ｍ，??ｙ（０）?＝?０ｒａｄ。船舶初始速度以及控制器和指令滤波器的参数与情况１相同。??仿真结果如图３．５？３．８所示。显然，所设计的欠驱动船舶航迹跟踪控制律展现了和??情况１同样令人满意的控制效果。上述仿真结果表明所设计的欠驱动船舶航迹跟踪控制??律对时变扰动具有鲁棒性。??

?欠驱动船舶航迹跟踪自适应鲁棒控制研究???１５０?Ｘ??，：（Ｖ??＾?＼?—实际航迹?Ｊ??．５０?＼?丨－＿?航迹丨?／?－??－１００?＼?／??－１５０?Ｘ．??－２００?＾??－２００?－１５０?－１００?－５０?０?５０?１００?１５０?２００??ｘ／ｍ??图３．１０情况１，＆作用下的航迹跟踪曲线??Ｆｉｇ．?３．１０?Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ?ｔｒａｃｋｉｎｇ?ｃｕｒｖｅｓ?ｕｎｄｅｒ?ｒ５?ｉｎ?ｃａｓｅ?１??一?１０?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??１?ｓｒ?????＜?０?Ｉ??实际速度??咢＜「，，，■，，＿??估计速度??０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??一?２?￣￣?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?｜?■?Ｉ?Ｉ?￣￣ｉ??１：＾－—???Ｉ?Ｕ?｜?｜?｜?Ｉ?Ｉ?｜?｜?｜?｜???＾?０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?丨?４０?１６０?１８０?２００??了?２?Ｉ?Ｉ?｜?Ｉ?Ｉ?Ｉ?｜?｜?｜｜??翼?｜…一－－－－－－…：－－??Ｉ?Ｉ?Ｗ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?ＩＩ?Ｉ?Ｉ???＾?０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??ｔ／ｓ??图３．１１情况１，ｒ５作用下的船舶速度变化曲线??Ｆｉｇ．?３．１１?Ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｈｉｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ?ｕｎｄｅｒｐｉｎ?ｃａｓｅ?１??，ｘｌＯ６??１１?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ
【参考文献】

相关期刊论文 前5条

1 张国庆;张显库;关巍;;欠驱动船舶简捷鲁棒自适应路径跟踪控制[J];哈尔滨工程大学学报;2014年09期

2 胡洲;王志胜;甄子洋;;欠驱动水面船舶非线性信息融合航迹跟踪控制[J];哈尔滨工程大学学报;2014年07期

3 郭晨;汪洋;孙富春;沈智鹏;;欠驱动水面船舶运动控制研究综述[J];控制与决策;2009年03期

4 韩京清;一类不确定对象的扩张状态观测器[J];控制与决策;1995年01期

5 曹立，郑毓蕃;非线性左、右逆系统的规范形设计[J];自动化学报;1994年05期

相关博士学位论文 前1条

1 胡鑫;船舶动力定位非线性控制研究[D];大连海事大学;2018年

相关硕士学位论文 前1条

1 王茹;欠驱动船舶轨迹跟踪的自适应滑模控制研究[D];大连海事大学;2018年

本文编号：2894162