船舶航向自适应Backstepping控制器设计与仿真

摘要

船舶在海上航行过程中，受到外部环境风、浪、流等干扰的影响，导致船舶航向控制系统中存在明显的不确定性。同时，船舶运动具有非线性的特点。因此，研究鲁棒自适应性能好的非线性船舶航向控制器成为研究热点。本文把海面上运动的船舶当作研究对象，采用Backstepping控制算法，对船舶航向控制进行了研究，主要完成了以下工作:
　　1.考虑到海况复杂多变，探讨了环境扰动力（风、浪、流）的数学模型。从运动学和动力学的角度，对船舶运动的动态特性、船舶水动力特性进行探讨分析，建立了船舶运动数学模型。
　　2.针对带有参数不确定的船舶航向非线性控制系统，基于反步法的设计理论，结合自适应控制算法，设计了船舶航向控制器。
　　3.同时考虑到系统中存在的饱和现象，并且考虑到非线性船舶航向控制中的船舶参数和扰动的不确定性，采用了一种基于辅助系统的算法，设计了相应的航向保持控制器。
　　4.在以上的基础上，同时考虑干扰和系统的输入饱和现象的存在，将非线性干扰观测器(NDO)和自适应控制算法相结合，设计的控制器可以不依赖系统模型，直接构建干扰观测器，鲁棒性更强。
　　本文讨论的算法都能保证系统闭环稳定性，并且后两项工作考虑到系统的输入饱和现象，进一步增强系统的实用性，控制效果良好。Matlab仿真验证了算法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的背景及研究意义

1．2 船舶航向控制概述

1．3 自适应Backstepping研究现状

1．4 执行器饱和控制系统设计

1．4．2 执行器饱和系统研究现状

1．5 干扰观测器概述

1．6 本文主要研究内容

第2章 船舶运动数学模型

2．1 船舶运动学坐标系

2．2 船舶平面的数学模型

2．2．1 Nomoto线性数学模型

2．2．2 Norrbin非线性数学模型

2．3 船舶航向运动随机扰动

2．3．1 海风干扰

2．3．2 海浪干扰

2．3．3 海流干扰

2．4 船舶运动控制研究的基本问题

2．4．1 船舶航向控制性能指标

2．4．2 参考模型

2．5 本章小结

第3章 基于自适应Backstepping的船舶航向控制器设计

3．1 Lyapunov稳定性理论

3．2 船舶航向Backstepping控制器研究

3．2．1 Backstepping设计原理

3．2．2 控制器设计

3．2．3 仿真及分析

3．3 船舶航向自适应Backstepping控制器研究

3．3．1 自适应Backstepping的设计原理

3．3．2 控制器设计

3．3．3 仿真及分析

3．4 本章小结

第4章 考虑输入饱和的航向控制器设计

4．1 抗饱和控制设计方法概述

4．1．1 设计方法概述

4．1．2 辅助系统方法设计概述

4．2 基于Backstepping的航向抗饱和控制器设计

4．2．1 控制器设计

4．2．2 稳定性分析

4．2．3 仿真及分析

4．3 基于自适应Backstepping的航向抗饱和控制器设计

4．3．1 控制器设计

4．3．2 稳定性分析

4．3．3 仿真及分析

4．4 本章小结

第5章 基于干扰观测器并考虑输入饱和的控制器设计

5．1 干扰观测器概述

5．2 基于干扰观测器并考虑输入饱和的控制器设计

5．2．1 控制器设计

5．2．2 稳定性分析

5．3 仿真及分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢