基于二阶滑模的欠驱动船舶路径跟踪控制
发布时间：2021-06-08 07:27
随着全球经济的不断飞速发展,水面欠驱动船舶作为各国贸易往来的主要运输工具,因此受到了世界各国的广泛关注。为保证欠驱动船舶能够顺利完成各种指定航行任务,对其实现路径跟踪控制俨然成为当下研究热点,但考虑到欠驱动船舶在操控过程中,具有较强的非线性、耦合性等特点,传统的控制方法已经无法满足其精度需求,因此寻求有效的控制策略是解决路径跟踪控制问题的关键所在。本文主要针对水面欠驱动船舶的路径跟踪控制策略展开研究,主要研究工作如下:首先,介绍了水面欠驱动船舶的运动学以及动力学数学模型,并在此基础上结合本文研究内容对该模型进行一定程度上的简化,最终得到水平面三自由度欠驱动船舶运动数学模型;其次,针对滑模控制方法中存在的抖振问题,采用超螺旋二阶滑模控制算法设计欠驱动船舶路径跟踪控制器,以实现有效抑制抖振问题的同时提高系统跟踪控制精度;然后,针对复杂多变的海上扰动其界值难以确定,所导致的控制器参数难以选取问题,将自适应方法与超螺旋二阶滑模控制相结合,提出一种基于自适应二阶滑模的欠驱动船舶路径跟踪控制策略,在该方法中通过自适应控制实现对外界扰动界值的实时估计,进而更新控制器参数以获取更为良好的控制效果;最后...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１本文章节结构图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｆｒａｍｅｗｏｒｋ?ｏｆ?ｃｈａｐｔｅｒｓ?ｆｏｒ?ｔｈｅｓｉｓ??
?大连海事大学硕士学位论文???２船舶运动数学模型及滑模控制理论??本课题针对欠驱动船舶的路径跟踪控制问题进行研宄，设计控制器以实现对期望路??径精确跟踪，而考虑到对实船开展控制实验存在较大的困难且成本较高［４７］，故解决此类??问题的常规做法为建立被控对象的数学模型，随后进行仿真实验以验证所设计控制器的??性能，而实际的船舶运动具有较强的耦合性、非线性等特点，因此建立精确的数学模型??用以描述船舶运动过程存在较大的困难，故需对其运动过程在一定程度上进行简化，最??终得到适用于课题研宄的船舶运动数学模型［４８１。??本章首先针对欠驱动船舶的运动特性进行分析，并结合本文的研究内容对其运动过??程进行简化，最终得到水平面三自由度船舶运动数学模型；随后针对滑模控制理论进行??介绍并分析该方法中所存在的问题，为后续控制器的设计提供理论基矗??２．１船舶运动数学模型??建立船舶运动数学模型是为了描述其在运动过程中对于输入控制量的响应特性，冋??时侧面也可以反应出所设计控制器的控制效果，而为了实现对船舶运动过程进行数学描??述，首先需要对其建立运动坐标系，随后在坐标系下对其运动过程进彳丁描述。??２．１．?１船舶运动坐标系??为便于坐标系的建立以及描述船舶在海洋中的复杂运动，通常情况下采用如下两种??坐标系形式：一种为惯性坐标系，而另外一种便是随船运动（附体）坐标系。??炉慣性坐标系??囊动坐标系??．．．ｒ－．．．．．Ｖ５?横沭??－八，?ｒ，Ｎ??ｍ??图２．１船舶运动坐标系??Ｆｉｇ．?２．１?Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ｓｈｉｐ?ｍｏｔｉｏｎ??－７－??
?影响滑模变量的一阶导数从而对系统实现控制，而高阶滑模控制方法则是通过将不连续??的控制变量作用至滑动变量的高阶导数上，这样便可通过积分器的滤波作用使得抖振问??题得到一定的抑制，因此高阶滑模作为传统滑模的拓展研究，不但保留了传统滑模控制??的优点，而且能够有效抑制抖振问题并提高系统控制精度，。??而在高阶滑模中，二阶滑模作为特殊情况因其结构设计简单且所需的信息量较少，??同时可实现系统有限时间稳定，因此在现阶段得到更为广泛的应用［５６］。??ｃ?＝：?Ｑ??Ｓ?＾?Ｓ?＾??图２：６二阶滑模运动轨迹图??Ｆｉｇ．?２．６?Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ?ｓｌｉｄｉｎｇ?ｍｏｄｅ?ｃｏｎｔｒｏｌ??其中二阶滑模在相平面内运动轨迹如图２．６所示，依据高阶滑模的定义可知，二阶滑模??仅需满足ｓ?ｉ?＝?０的条件即可，故其在控制器设计方面较其他高阶滑模相比更为简１?丫＞－，??并且通过将非连续的控制变量作用在滑模变量的二阶导数上，从而能够竹效地抑制抖振??问题。??在上述几种方法中，二阶滑模控制既能够有效削弱抖振问题，Ｍ时又能够存效避免??趋近律或边界Ｗ方法所引入的新的问题如：削弱滑模拕制的抗摄动性或技制参数难以选??？?１５－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进滑模趋近律的航空发动机控制器设计[J]. 刘帅,王金环,白杰,戴士杰. 科学技术与工程. 2019(34)
[2]考虑滑模抖振的永磁同步电机模糊超螺旋滑模观测器[J]. 陶彩霞,赵凯旋,牛青. 电力系统保护与控制. 2019(23)
[3]Adaptive sliding-mode path following control system of the underactuated USV under the influence of ocean currents[J]. CHEN Xiao,LIU Zhong,ZHANG Jianqiang,ZHOU Dechao,DONG Jiao. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(06)
[4]基于二阶滑模算法的永磁同步电机控制[J]. 杨婧,纪科辉,赵新龙,鲁文其. 微特电机. 2018(02)
[5]基于二阶滑模算法的船舶航向控制[J]. 刘勇,卜仁祥,孙大铭. 长春理工大学学报(自然科学版). 2017(04)
[6]欠驱动船舶路径跟踪的强化学习迭代滑模控制[J]. 沈智鹏,代昌盛. 哈尔滨工程大学学报. 2017(05)
[7]欠驱动水面船舶的有限时间航迹跟踪控制[J]. 王昱棋,李铁山. 哈尔滨工程大学学报. 2017(05)
[8]基于滑模控制的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制[J]. 刘凯悦,冷建伟. 天津理工大学学报. 2017(02)
[9]高阶滑模控制及其研究现状[J]. 孙灵芳,邢宇,李斌. 化工自动化及仪表. 2016(04)
[10]飞机全电防滑刹车系统稳定动态面控制[J]. 李兵强,陈晓雷,林辉,戴志勇. 系统工程与电子技术. 2016(05)
博士论文
[1]不确定非线性系统高阶滑模控制及在电力系统中的应用[D]. 韩耀振.华北电力大学(北京) 2017
[2]高阶滑模控制理论及其在欠驱动系统中的应用研究[D]. 杨洁.北京理工大学 2015
[3]无人艇的非线性运动控制方法研究[D]. 廖煜雷.哈尔滨工程大学 2012
[4]欠驱动船舶非线性控制研究[D]. 韩冰.哈尔滨工程大学 2004
硕士论文
[1]欠驱动船舶轨迹跟踪的自适应滑模控制研究[D]. 王茹.大连海事大学 2018
[2]基于高阶滑模的船舶直线航迹控制[D]. 蔡成.大连海事大学 2017
[3]基于终端滑模自抗扰的船舶航迹跟踪控制[D]. 秦朝宇.大连海事大学 2017
[4]一类欠驱动系统的切换控制设计[D]. 郑鹏尚.东北大学 2013
[5]无人驾驶救助船路径规划算法的研究[D]. 陈佳.武汉理工大学 2013
[6]船舶运动建模与特性仿真研究[D]. 李修强.武汉理工大学 2010
[7]滑模变结构控制系统抖振抑制方法的研究[D]. 李琳.大连理工大学 2006
本文编号：3217954
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１本文章节结构图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｆｒａｍｅｗｏｒｋ?ｏｆ?ｃｈａｐｔｅｒｓ?ｆｏｒ?ｔｈｅｓｉｓ??
?大连海事大学硕士学位论文???２船舶运动数学模型及滑模控制理论??本课题针对欠驱动船舶的路径跟踪控制问题进行研宄，设计控制器以实现对期望路??径精确跟踪，而考虑到对实船开展控制实验存在较大的困难且成本较高［４７］，故解决此类??问题的常规做法为建立被控对象的数学模型，随后进行仿真实验以验证所设计控制器的??性能，而实际的船舶运动具有较强的耦合性、非线性等特点，因此建立精确的数学模型??用以描述船舶运动过程存在较大的困难，故需对其运动过程在一定程度上进行简化，最??终得到适用于课题研宄的船舶运动数学模型［４８１。??本章首先针对欠驱动船舶的运动特性进行分析，并结合本文的研究内容对其运动过??程进行简化，最终得到水平面三自由度船舶运动数学模型；随后针对滑模控制理论进行??介绍并分析该方法中所存在的问题，为后续控制器的设计提供理论基矗??２．１船舶运动数学模型??建立船舶运动数学模型是为了描述其在运动过程中对于输入控制量的响应特性，冋??时侧面也可以反应出所设计控制器的控制效果，而为了实现对船舶运动过程进行数学描??述，首先需要对其建立运动坐标系，随后在坐标系下对其运动过程进彳丁描述。??２．１．?１船舶运动坐标系??为便于坐标系的建立以及描述船舶在海洋中的复杂运动，通常情况下采用如下两种??坐标系形式：一种为惯性坐标系，而另外一种便是随船运动（附体）坐标系。??炉慣性坐标系??囊动坐标系??．．．ｒ－．．．．．Ｖ５?横沭??－八，?ｒ，Ｎ??ｍ??图２．１船舶运动坐标系??Ｆｉｇ．?２．１?Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ｓｈｉｐ?ｍｏｔｉｏｎ??－７－??
?影响滑模变量的一阶导数从而对系统实现控制，而高阶滑模控制方法则是通过将不连续??的控制变量作用至滑动变量的高阶导数上，这样便可通过积分器的滤波作用使得抖振问??题得到一定的抑制，因此高阶滑模作为传统滑模的拓展研究，不但保留了传统滑模控制??的优点，而且能够有效抑制抖振问题并提高系统控制精度，。??而在高阶滑模中，二阶滑模作为特殊情况因其结构设计简单且所需的信息量较少，??同时可实现系统有限时间稳定，因此在现阶段得到更为广泛的应用［５６］。??ｃ?＝：?Ｑ??Ｓ?＾?Ｓ?＾??图２：６二阶滑模运动轨迹图??Ｆｉｇ．?２．６?Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ?ｓｌｉｄｉｎｇ?ｍｏｄｅ?ｃｏｎｔｒｏｌ??其中二阶滑模在相平面内运动轨迹如图２．６所示，依据高阶滑模的定义可知，二阶滑模??仅需满足ｓ?ｉ?＝?０的条件即可，故其在控制器设计方面较其他高阶滑模相比更为简１?丫＞－，??并且通过将非连续的控制变量作用在滑模变量的二阶导数上，从而能够竹效地抑制抖振??问题。??在上述几种方法中，二阶滑模控制既能够有效削弱抖振问题，Ｍ时又能够存效避免??趋近律或边界Ｗ方法所引入的新的问题如：削弱滑模拕制的抗摄动性或技制参数难以选??？?１５－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进滑模趋近律的航空发动机控制器设计[J]. 刘帅,王金环,白杰,戴士杰. 科学技术与工程. 2019(34)
[2]考虑滑模抖振的永磁同步电机模糊超螺旋滑模观测器[J]. 陶彩霞,赵凯旋,牛青. 电力系统保护与控制. 2019(23)
[3]Adaptive sliding-mode path following control system of the underactuated USV under the influence of ocean currents[J]. CHEN Xiao,LIU Zhong,ZHANG Jianqiang,ZHOU Dechao,DONG Jiao. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(06)
[4]基于二阶滑模算法的永磁同步电机控制[J]. 杨婧,纪科辉,赵新龙,鲁文其. 微特电机. 2018(02)
[5]基于二阶滑模算法的船舶航向控制[J]. 刘勇,卜仁祥,孙大铭. 长春理工大学学报(自然科学版). 2017(04)
[6]欠驱动船舶路径跟踪的强化学习迭代滑模控制[J]. 沈智鹏,代昌盛. 哈尔滨工程大学学报. 2017(05)
[7]欠驱动水面船舶的有限时间航迹跟踪控制[J]. 王昱棋,李铁山. 哈尔滨工程大学学报. 2017(05)
[8]基于滑模控制的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制[J]. 刘凯悦,冷建伟. 天津理工大学学报. 2017(02)
[9]高阶滑模控制及其研究现状[J]. 孙灵芳,邢宇,李斌. 化工自动化及仪表. 2016(04)
[10]飞机全电防滑刹车系统稳定动态面控制[J]. 李兵强,陈晓雷,林辉,戴志勇. 系统工程与电子技术. 2016(05)
博士论文
[1]不确定非线性系统高阶滑模控制及在电力系统中的应用[D]. 韩耀振.华北电力大学(北京) 2017
[2]高阶滑模控制理论及其在欠驱动系统中的应用研究[D]. 杨洁.北京理工大学 2015
[3]无人艇的非线性运动控制方法研究[D]. 廖煜雷.哈尔滨工程大学 2012
[4]欠驱动船舶非线性控制研究[D]. 韩冰.哈尔滨工程大学 2004
硕士论文
[1]欠驱动船舶轨迹跟踪的自适应滑模控制研究[D]. 王茹.大连海事大学 2018
[2]基于高阶滑模的船舶直线航迹控制[D]. 蔡成.大连海事大学 2017
[3]基于终端滑模自抗扰的船舶航迹跟踪控制[D]. 秦朝宇.大连海事大学 2017
[4]一类欠驱动系统的切换控制设计[D]. 郑鹏尚.东北大学 2013
[5]无人驾驶救助船路径规划算法的研究[D]. 陈佳.武汉理工大学 2013
[6]船舶运动建模与特性仿真研究[D]. 李修强.武汉理工大学 2010
[7]滑模变结构控制系统抖振抑制方法的研究[D]. 李琳.大连理工大学 2006
本文编号：3217954
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