欠驱动船舶航迹跟踪控制技术研究

摘要

欠驱动水面船舶是指一类横向上没有安装独立的推进装置,系统控制输入量个数少于系统自由度维数的船舶。由于欠驱动水面船舶结构上的特殊性,采用常规的控制方法实现跟踪或定位控制的效果并不理想,所以探索新的控制方法成为了研究热点。考虑到航迹跟踪控制具有改善航行经济性、增加航行安全性以及降低系统安装费用等优点,本文主要针对欠驱动水面船舶的航迹跟踪控制问题进行研究。
　　 首先,在合理的假设条件下,建立了欠驱动船舶水平面三自由度数学模型,并通过建立的数学模型研究欠驱动水面船舶的控制特性,进行船模仿真实验等一系列工作,目的是为后续控制器的设计做以铺垫。
　　 其次,研究轨迹跟踪控制方法。为了明确控制目标,需要建立跟踪过程的数学模型,考虑到跟踪模型自身的特点,采用反步法的设计思想并结合Lyapunov直接法设计了一种全状态反馈跟踪控制器,并采用C语言编写跟踪控制过程的仿真程序,在不同的条件下对控制器进行仿真验证。为了实现对比研究,本文又基于欠驱动水面船舶本身具有的无源性设计轨迹跟踪控制器,在相同的仿真条件下,分别对两种控制律进行仿真对比研究。
　　 再次,考虑到跟踪数学模型具有的级联特性,将级联系统理论应用于欠驱动水面船舶的跟踪控制器当中,把跟踪数学模型划分成为两个子系统,然后分别针对两个子系统设计镇定控制律从而得到实际控制输入量表达式。同样地,在相同的初始条件下,采用三种控制器进行仿真对比研究。
　　 最后,通过大量的仿真实验得出结论:由于受到角速度持续激励条件的限制,基于无源性以及级联理论设计的控制器只能够实现圆弧形参考轨迹的跟踪控制,虽然最终也能够实现控制目标,但是状态跟踪误差收敛速度较慢,控制性能有待进一步地提高。相比较而言,反步法设计的控制器消除了角速度持续激励条件的限制,参考轨迹线既可以为直线也可以为圆弧形轨迹,当存在一定范围内的环境干扰因素时,依然能够实现跟踪控制,控制器具有一定的鲁棒性能。