动力定位船舶运动非线性观测器研究

摘要

动力定位系统（Dynamic Positioning Systems，DP systems）是船舶进行海洋作业时所必需的支持系统，它使船舶可依靠自身所配备的推进器维持其所期望的位置或航向，或按照预先设定的轨迹航行。但动力定位系统的定位精度容易受到多种情况的影响，因此在设计动力定位控制系统时，需要利用观测器将船舶运动分解为低频以及高频部分，在进入控制回路前滤除高频，抵御外界干扰，实现对船舶低频位置以及艏向值的估算。本文主要针对DP系统中含有未知不确定项干扰的情况，引入滑模控制(Sliding Mode Control，SMC)理论方法设计观测器。
　　船舶动力定位系统的观测器要滤除高频，估计船舶的低频运动状态，因此本文首先建立了船舶的低频、高频运动模型以及动力定位系统测量模型。为更好地研究海洋环境对船舶的影响，同时建立了包括风、浪、流在内的环境干扰力数学模型。值得注意的是，在建立船舶的低频运动模型时，本文将非线性阻尼系数矩阵和科里奥利向心力矩阵视为不确定项考虑在内。
　　为抵御船舶动力定位系统中不确定项的干扰，本文将 SMC理论引入到观测器的设计中。首先通过对动力定位系统的状态空间形式分析得出，系统中的不确定项无法满足传统滑模观测器设计所需的匹配条件。为使匹配条件得到满足，本文提出采用构造辅助输出的方法对系统状态进行重构，设计高增益观测器估计重构后的未知辅助输出，并以此为基础设计线性滑模面以及滑模策略。同时，由Lyapunov稳定性理论分析得知，误差系统稳定性与滑模增益值有关，滑模增益值应不小于不确定项上界值。本文假设 DP系统中的不确项上界值为已知常数，并将该常数作为滑模增益进行仿真实验，仿真效果良好。另外，选取了较大滑模增益值进行仿真实验，指出虽为保证系统鲁棒性，但增益值仍不能选取太大，否则将会引起观测器估计状态的严重抖振。
　　一般情况下，船舶系统中所含有的不确定项上界值是未知的。本文在保证系统鲁棒性的同时，为避免增益选取太过保守而造成系统状态的严重抖振问题，将RBF神经网络与Lyapunov稳定性理论结合估计船舶系统中的不确定项上界，进一步设计了船舶的自适应鲁棒滑模观测器，同时对误差系统的稳定性予以证明，完成仿真实验。观测器的设计都是为动力定位控制系统服务的，因此最后将所设计的自适应鲁棒滑模观测器与PID控制器结合进行仿真实验，表明本文针对动力定位系统中含有未知不确定项的情况所设计的滑模观测器的有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 动力定位系统简介

1.3动力定位系统观测器发展及研究状况

1.4论文的研究内容及组织安排

第2章 船舶动力定位系统模型

2.1 动力定位船舶坐标系统描述

2.2 船舶运动数学模型

2.3 海洋环境数学模型

2.4 本章小结

第3章 滑模变结构理论与观测器设计方法

3.1 滑模变结构理论

3.2 滑模观测器设计方法

3.3 滑模观测器匹配条件解决方法

3.4 本章小结

第4章 动力定位船舶鲁棒滑模观测器

4.1 DP船模型的状态空间形式分析与重构

4.2 船舶动力定位系统高增益观测器

4.3船舶鲁棒滑模观测器设计

4.4 船舶鲁棒滑模观测器仿真

4.5 本章小结

第5章 动力定位船舶自适应鲁棒滑模观测器

5.1径向基（Radial Basis Function,RBF）神经网络原理

5.2 基于RBF的船舶自适应滑模观测器的设计

5.3 基于RBF的船舶滑模观测器仿真

5.4 基于RBF的船舶滑模观测器与控制器结合仿真

5.5 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