无人艇的哈密顿系统镇定与跟踪控制
发布时间：2022-02-16 22:37
近年来,无人艇系统在海洋监测、海洋测绘、矿产开发、科学考察、军事应用等领域展现出了广阔的应用前景,引起了众多研究人员的重视和关注。良好的运动控制性能是无人艇能够完成各项任务的前提,因此运动控制问题作为无人艇平台研发的核心内容引起关注。并且由于无人艇需要执行各种任务,对无人艇续航能力提升的要求越来越高。然而在设计无人艇时由于对速度、耐波能力和有效载荷等方面的权衡,提升无人艇续航能力受到制约。因此在保障无人艇运动控制性能的同时,如何设计无人艇运动控制器以减少能量损耗成为我们需要研究的问题。由电力驱动的无人艇为典型的电能和机械能变换系统,我们可以将其看成由机械端口和电气端口结合组成的二端口能量变换的装置:机械能由机械端口输出,电能由电气端口输入。因此通过能量的变换分析来判断系统运行状态,实现基于能量控制的无人艇运动控制系统,从而优化整个无人艇系统的输入能量、输出能量和损耗能量,从而实现无人艇电能利用效率的提升。从能量的角度和观点研究无人艇的运动控制,有着重要的理论意义和工程实际价值。本文主要研究工作如下:（1）无人艇的端口受控哈密顿运动模型为从能量的角度处理无人艇的运动控制问题的基础。我们在...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 无人艇的国内外研究动态
1.3 无人艇的非线性控制的国内外发展现状
1.4 哈密顿控制的研究现状
1.5 本文主要研究工作
1.6 章节内容安排
第二章 无人艇运动数学模型与PCHD模型
2.1 引言
2.2 无人艇的运动数学模型
2.2.1 坐标系及符号定义
2.2.2 运动学方程
2.2.3 动力学模型
2.2.4 无人艇三自由度模型
2.3 输入输出稳定性
2.3.1 系统的稳定性
2.3.2 LaSalle不变集定理
2.4 无源性及耗散性
2.4.1 系统的无源性
2.4.2 系统的耗散性
2.5 哈密顿系统
2.5.1 欧拉-拉格朗日(EL)系统
2.5.2 端口受控哈密顿系统
2.6 无人艇端口受控耗散哈密顿模型
2.7 本章小结
第三章 无人艇航速航向控制
3.1 控制问题描述
3.2 无人艇航速航向控制器设计
3.2.1 航速航向能量控制器设计
3.2.2 李雅普诺夫直接法和反步法控制器设计
3.2.3 航速航向能量与信号协调控制
3.2.4 稳定性分析
3.3 仿真实验
3.4 本章小结
第四章 无人艇位置镇定控制
4.1 控制问题描述
4.2 无人艇位置镇定控制器设计
4.2.1 无人艇IDA-PBC镇定控制器
4.2.2 加入积分环节的镇定控制器
4.2.3 稳定性分析
4.3 仿真实验
4.4 本章小结
第五章 无人艇轨迹跟踪控制
5.1 控制问题描述
5.2 无人艇轨迹跟踪控制器设计
5.2.1 扰动观测器设计
5.2.2 状态误差PCH轨迹跟踪控制器设计
5.2.3 L_2扰动抑制轨迹跟踪控制器
5.2.4 稳定性分析
5.3 仿真实验
5.3.1 加入扰动观测器的能量轨迹跟踪控制器
5.3.2 L_2扰动抑制能量轨迹跟踪控制器
5.3.3 控制器能量损耗对比
5.4 本章小结
第六章 无人艇路径跟踪控制
6.1 控制问题描述
6.2 无人艇路径跟踪控制器设计
6.2.1 视线法制导律设计
6.2.2 基于能量成形的航速航向控制器
6.2.3 自适应视线法路径跟踪能量控制器设计
6.2.4 稳定性分析
6.3 仿真实验
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 今后的研究工作展望
参考文献
攻读学位期间的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]端口受控哈密顿方法的电力双推进无人船航向航速控制[J]. 吕成兴,于海生,周忠海,臧鹤超,张风丽,张照文. 海洋科学. 2018(01)
[2]基于改进积分视线导引策略的欠驱动无人水面艇路径跟踪[J]. 陈霄,刘忠,张建强,董蛟,周德超. 北京航空航天大学学报. 2018(03)
[3]外军无人系统现状与发展趋势[J]. 薛春祥,黄孝鹏,朱咸军,蒋莹莹. 雷达与对抗. 2016(01)
[4]Trajectory tracking control for underactuated unmanned surface vehicles with dynamic uncertainties[J]. 廖煜雷,张铭钧,万磊,李晔. Journal of Central South University. 2016(02)
[5]一种海洋环境监测无人船系统及其海洋应用[J]. 金久才,张杰,邵峰,崔廷伟. 海岸工程. 2015(03)
[6]无人船艇的发展及展望[J]. 张树凯,刘正江,张显库,刘玉. 世界海运. 2015(09)
[7]无人艇运动控制方法的回顾与展望[J]. 廖煜雷,张铭钧,董早鹏,刘鹏. 中国造船. 2014(04)
[8]非完全对称欠驱动高速无人艇轨迹跟踪控制[J]. 万磊,董早鹏,李岳明,何斌. 电机与控制学报. 2014(10)
[9]一种双电力推进无人水面艇的非线性建模、仿真和实验[J]. 张晓杰,冯海涛,熊亚洲,王建华. 船舶工程. 2012(02)
[10]欠驱动无人艇轨迹跟踪的滑模控制方法[J]. 廖煜雷,庄佳园,李晔,庞永杰. 应用科学学报. 2011(04)
博士论文
[1]电动机驱动系统的能量控制与L2增益扰动抑制研究[D]. 山炳强.青岛大学 2015
[2]欠驱动船舶运动的非线性鲁棒控制研究[D]. 王岩.哈尔滨工程大学 2013
[3]欠驱动水面船舶的全局镇定控制方法研究[D]. 于瑞亭.哈尔滨工程大学 2012
[4]喷水推进水面无人艇的非线性控制方法研究[D]. 曾薄文.哈尔滨工程大学 2012
[5]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
[6]无人艇操纵性与智能控制技术研究[D]. 吴恭兴.哈尔滨工程大学 2011
[7]喷水推进船舶的航向/航速控制研究[D]. 高双.哈尔滨工程大学 2008
[8]交流电机的能量成型与非线性控制研究[D]. 于海生.山东大学 2006
本文编号：3628788
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 无人艇的国内外研究动态
1.3 无人艇的非线性控制的国内外发展现状
1.4 哈密顿控制的研究现状
1.5 本文主要研究工作
1.6 章节内容安排
第二章 无人艇运动数学模型与PCHD模型
2.1 引言
2.2 无人艇的运动数学模型
2.2.1 坐标系及符号定义
2.2.2 运动学方程
2.2.3 动力学模型
2.2.4 无人艇三自由度模型
2.3 输入输出稳定性
2.3.1 系统的稳定性
2.3.2 LaSalle不变集定理
2.4 无源性及耗散性
2.4.1 系统的无源性
2.4.2 系统的耗散性
2.5 哈密顿系统
2.5.1 欧拉-拉格朗日(EL)系统
2.5.2 端口受控哈密顿系统
2.6 无人艇端口受控耗散哈密顿模型
2.7 本章小结
第三章 无人艇航速航向控制
3.1 控制问题描述
3.2 无人艇航速航向控制器设计
3.2.1 航速航向能量控制器设计
3.2.2 李雅普诺夫直接法和反步法控制器设计
3.2.3 航速航向能量与信号协调控制
3.2.4 稳定性分析
3.3 仿真实验
3.4 本章小结
第四章 无人艇位置镇定控制
4.1 控制问题描述
4.2 无人艇位置镇定控制器设计
4.2.1 无人艇IDA-PBC镇定控制器
4.2.2 加入积分环节的镇定控制器
4.2.3 稳定性分析
4.3 仿真实验
4.4 本章小结
第五章 无人艇轨迹跟踪控制
5.1 控制问题描述
5.2 无人艇轨迹跟踪控制器设计
5.2.1 扰动观测器设计
5.2.2 状态误差PCH轨迹跟踪控制器设计
5.2.3 L_2扰动抑制轨迹跟踪控制器
5.2.4 稳定性分析
5.3 仿真实验
5.3.1 加入扰动观测器的能量轨迹跟踪控制器
5.3.2 L_2扰动抑制能量轨迹跟踪控制器
5.3.3 控制器能量损耗对比
5.4 本章小结
第六章 无人艇路径跟踪控制
6.1 控制问题描述
6.2 无人艇路径跟踪控制器设计
6.2.1 视线法制导律设计
6.2.2 基于能量成形的航速航向控制器
6.2.3 自适应视线法路径跟踪能量控制器设计
6.2.4 稳定性分析
6.3 仿真实验
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 今后的研究工作展望
参考文献
攻读学位期间的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]端口受控哈密顿方法的电力双推进无人船航向航速控制[J]. 吕成兴,于海生,周忠海,臧鹤超,张风丽,张照文. 海洋科学. 2018(01)
[2]基于改进积分视线导引策略的欠驱动无人水面艇路径跟踪[J]. 陈霄,刘忠,张建强,董蛟,周德超. 北京航空航天大学学报. 2018(03)
[3]外军无人系统现状与发展趋势[J]. 薛春祥,黄孝鹏,朱咸军,蒋莹莹. 雷达与对抗. 2016(01)
[4]Trajectory tracking control for underactuated unmanned surface vehicles with dynamic uncertainties[J]. 廖煜雷,张铭钧,万磊,李晔. Journal of Central South University. 2016(02)
[5]一种海洋环境监测无人船系统及其海洋应用[J]. 金久才,张杰,邵峰,崔廷伟. 海岸工程. 2015(03)
[6]无人船艇的发展及展望[J]. 张树凯,刘正江,张显库,刘玉. 世界海运. 2015(09)
[7]无人艇运动控制方法的回顾与展望[J]. 廖煜雷,张铭钧,董早鹏,刘鹏. 中国造船. 2014(04)
[8]非完全对称欠驱动高速无人艇轨迹跟踪控制[J]. 万磊,董早鹏,李岳明,何斌. 电机与控制学报. 2014(10)
[9]一种双电力推进无人水面艇的非线性建模、仿真和实验[J]. 张晓杰,冯海涛,熊亚洲,王建华. 船舶工程. 2012(02)
[10]欠驱动无人艇轨迹跟踪的滑模控制方法[J]. 廖煜雷,庄佳园,李晔,庞永杰. 应用科学学报. 2011(04)
博士论文
[1]电动机驱动系统的能量控制与L2增益扰动抑制研究[D]. 山炳强.青岛大学 2015
[2]欠驱动船舶运动的非线性鲁棒控制研究[D]. 王岩.哈尔滨工程大学 2013
[3]欠驱动水面船舶的全局镇定控制方法研究[D]. 于瑞亭.哈尔滨工程大学 2012
[4]喷水推进水面无人艇的非线性控制方法研究[D]. 曾薄文.哈尔滨工程大学 2012
[5]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
[6]无人艇操纵性与智能控制技术研究[D]. 吴恭兴.哈尔滨工程大学 2011
[7]喷水推进船舶的航向/航速控制研究[D]. 高双.哈尔滨工程大学 2008
[8]交流电机的能量成型与非线性控制研究[D]. 于海生.山东大学 2006
本文编号：3628788
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