多DP船协调编队有限时间控制方法研究

摘要

随着人们对海洋资源的深入开发，动力定位技术也得到了迅猛发展。然而，考虑到单艘动力定位船舶的作业能力和作业范围有限，而相比之下，多艘动力定位船舶协同作业不但能够提高海上任务的效率，而且还能执行某些特种作业。近年来，随着多艘船舶的控制研究逐渐成为船舶控制研究的热点，多艘船舶的协调编队有限时间控制作为多艘船舶控制的分支，也引起了广泛地关注和研究。
　　本文研究在有限时间内，使多动力定位船舶能以一定队形协调编队跟踪领航船期望轨迹；另外，海洋环境瞬息万变，在实际的海上作业时，海洋环境的复杂多变成为多艘船舶的协调编队有限时间运动控制研究的难点。
　　本文从以下几个方面对多艘船舶的协调编队有限时间运动控制进行分析。
　　第一，对本文所研究的课题的背景和意义作了简明扼要的说明。阐述了多智能体系统运动过程中协调编队控制的研究历程，以及多智能体系统运动控制有限时间收敛的优越性和系统协调编队有限时间控制在现实工程应用中所展现出来的优点。其中重点介绍了国内外对多DP船协调编队控制的研究进展和有限时间控制方法在近年来的发展概况。说明了在研究过程中所存在的难点，和本文的主要研究内容。
　　第二，对多DP船系统协调编队有限时间控制中所相关的基础内容进行研究。首先对DP船的数学模型的建立进行了分析，之后对图论相关理论基础和定理进行说明，通过有向强连通图的数学方式描述船只之间的信息交流和通讯拓扑结构。并且介绍了论文研究内容所涉及的矩阵理论方面的知识和证明过程用到的相关收敛定理和稳定性定理，从而使后面章节的公式推导有了基础和依据。
　　第三，对于虚拟领航者的多DP船系统，考虑到无向图的局限性，采用有向图的形式，设计协调编队控制律控制多DP船以海上任务需要的队形跟踪领导者的运动状态。以跟随船与领航船之间状态的绝对误差和跟随船相互之间的同步误差的耦合误差作为系统误差，从而提高了轨迹跟踪控制误差的精度；提出的协调编队控制律的设计采用了终端滑模控制，使系统耦合误差实现有限时间收敛到零；然而滑模面的方程是非线性的形式，针对终端滑模协调编队控制律下收敛速度和奇异问题分别进一步提出了快速终端滑模控制律和非奇异快速滑模控制律。通过理论证明该控制律可以实现多DP船系统在有限时间内跟踪领航船运动状态和期望轨迹，并且对系统运动过程中各个状态变量进行仿真，证明了所设计的控制律的合理性。
　　第四，针对船舶运动过程中存在复杂的海洋环境扰动这一难点，设计有限时间扰动观测器对环境扰动进行估计，通过李雅普诺夫定理和有限时间收敛定理证明了该扰动观测器有限时间收敛；基于扰动估计值设计非奇异快速终端滑模控制律，对多DP跟随船轨迹跟踪过程进行控制，且证明其可实现系统状态有限时间收敛，最终对跟随船轨迹跟踪过程进行仿真，验证终端滑模观测器和控制器的有效性和正确性。
　　最后，对论文的研究成果做了相关的总结，并针对论文的待改进之处做了展望。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3 课题的研究难点

1.4 论文的主要内容

第2章 船舶运动数学模型和基础知识介绍

2.1 引言

2.2 船舶运动数学模型

2.3 船舶运动数学模型的验证

2.4 相关基础数学知识

2.5 李雅普诺夫稳定理论

2.6 有限时间稳定性

2.7 本章小结

第3章 多DP船系统协调编队有限时间控制

3.1 引言

3.2 编队形成

3.3 基于终端滑模的轨迹跟踪控制

3.4 基于快速终端滑模的协调编队轨迹跟踪控制

3.5 基于非奇异快速终端滑模的轨迹跟踪控制

3.6 本章小结

第4章 基于扰动观测器的多船协调编队有限时间控制器

4.1 引言

4.2 扰动存在下的多船协调编队有限时间控制

4.3 扰动观测器

4.4 基于扰动观测器的终端滑模有限时间轨迹跟踪控制

4.5 轨迹跟踪仿真验证

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢