基于滑模控制的吊舱式船舶航向控制器设计

摘要

吊舱推进器系统在船舶电力推进的应用中广受关注。吊舱推进器中电动机和螺旋桨直接相连，可实现水平360°旋转，它综合了舵和桨的功能，提高了船舶的水动力特性和可操控性。吊舱推进器的出现使船舶电力推进取得了突破性的发展。
　　吊舱式船舶航向控制系统通过调节吊舱转向角使船舶航向发生变化或在受到干扰的情况下保持不变，船舶的回转性能和稳定性是衡量其操纵性好坏的标志。船舶在航行过程中，航速变化、外界干扰等因素使得其运动系统为具有不确定量的非线性系统。目前船舶航向控制器设计大多不考虑舵角的转动特性，并采用线性或非线性模型进行自动舵的设计。但是吊舱推进器产生的各个方向力及力矩与吊舱转向角非线性耦合，因此在设计船舶航向控制器时，需要考虑并加入吊舱转向角的转动特性以提高系统的性能。
　　本文以工信部高技术船舶科研子课题“吊舱推进系统操控技术研究”为依托，建立了三自由度吊舱式船舶的分离型模型，分别分析了作用于船体的流体水动力及力矩，风浪等外界产生的干扰力及力矩，和吊舱产生的推力及力矩，并对其进行了速度和旋回仿真，以验证所建数学模型的可行性。对船舶分离型模型进行解耦，保留与航向相关的主变量并加入吊舱转向角数学模型，建立了船舶航向运动数学模型，此模型为具有不确定参数和结构的非线性系统。
　　针对所建立吊舱式船舶航向运动的非线性系统，本文设计了基于反步法的滑模控制器，并详细推导了控制器的设计过程。滑模控制器设计为解决有建模不准确情况下保持稳定性提供了系统的方法，进一步利用反步法的设计思想求取滑模控制器，不需要将系统转化为正则型，并且每个虚拟控制律和最终控制律仅与各个子系统的期望输出和子系统模型参数决定。仿真结果表明，滑模航向控制器对系统中不确定项具有很强的鲁棒性。最后对于数学模型中的不确定参数，采用自适应控制进行矫正，减小了非线性高阶系统中反馈线性化的困难。仿真结果表明该自适应滑模控制器减小了系统的抖振并且具有较强的鲁棒性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 吊舱式船舶操纵运动数学模型

2.1船舶运动模型

2.2 外界干扰模型

2.3 本章小结

第3章 吊舱式船舶数学模型建立及其航向控制器设计

3.1 吊舱推进模型

3.2 吊舱式船舶操纵运动仿真

3.3 船舶航向控制原理

3.4 PID控制船舶航向仿真

3.5 本章小结

第4章 基于滑模控制的船舶航向控制器设计

4.1 滑模控制

4.2 反步法基本原理

4.3 船舶航向滑模控制器设计及仿真

4.4 船舶航向仿真结果

4.5 本章小结

第5章 基于滑模自适应的船舶航向控制器设计

5.1 反步自适应控制

5.2 船舶航向滑模自适应控制器设计

5.3 船舶航向仿真结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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