船舶航向与航迹积分滑模自抗扰保持控制

摘要

为了提升船舶航行时的安全性与经济性，针对船舶智能控制中的航向与航迹保持控制问题，本文采用自抗扰控制和积分滑模控制相结合的复合型控制算法分别进行航向与航迹保持控制器的设计，并通过Matlab进行仿真验证。具体研究内容如下:
　　1.船舶航向积分滑模自抗扰保持控制器的设计:采用能更加精确地描述船舶动态性能的二阶非线性KT方程作为船舶运动控制的数学模型，对自抗扰算法中的跟踪微分器与非线性误差反馈控制律进行再设计。借助sign函数构造三阶跟踪微分器，对目标航向及其微分进行精确提取;采用线性扩张观测器对实际航向与内外界总扰动进行实时在线估计与补偿;在非线性误差反馈控制律的设计中，构造积分滑模面函数，消除静态误差，加快系统收敛速度;借助指数趋近律削弱积分滑模控制造成的系统抖振;借助Hurwitz判据，实现积分滑模面函数与线性扩张状态观测器参数化，减少控制器参数，设计了一种积分滑模自抗扰航向保持控制器。
　　2.船舶航迹全程积分滑模自抗扰保持控制器的设计:针对缺少横向动力装置的欠驱动船舶航迹跟踪控制问题，采用间接控制方法，利用双曲正切函数，建立回归计划航迹的期望船首向方程，设计航向保持控制器跟踪期望船首向，将航迹保持控制转化为航向镇定。在期望船首向控制器的设计过程中，引入全程积分滑模，消除了较大初始误差情况下被控系统的超调量，同时缩短了系统的稳定时间。
　　3.仿真验证:本文以“Marine”轮为仿真对象，利用Matlab分别进行了不同海况条件下的航向保持控制与航迹保持控制（直线航迹和曲线航迹）计算机仿真实验，将积分滑模自抗扰控制器与传统的自抗扰控制器的仿真结果进行比较分析表明，本文设计的积分滑模自抗扰控制器可快速准确地跟踪至目标航向与航迹，无静差，对外界干扰具有一定的鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 船舶航向保持控制相关研究

1．2．2船舶航迹保持控制相关研究

1．2．3 自抗扰控制与积分滑模控制相关研究

1．3 本文主要工作与创新点

1．4 本文的组织结构

第2章 基础知识

2．1 船舶运动数学模型

2．1．1 船舶运动坐标系

2．1．2 船舶运动控制数学方程

2．2 自抗扰控制技术

2．2．1 自抗扰控制概述

2．2．2 自抗扰控制系统结构

2．3 滑模变结构控制

2．3．1 简介与发展

2．3．2 基本原理

2．3．3 抖振问题

2．3．4 积分滑模变结构控制

2．4 本章小结

第3章 ISMC-LADRC航向保持控制器的设计及仿真

3．1 问题描述

3．2 航向保持控制器设计

3．2．1 积分滑模航向保持控制器的设计

3．2．2 积分滑模自抗扰航向保持控制器的设计

3．3 仿真与结果分析

3．4 本章小结

第4章 全程积分滑模自抗扰航迹保持控制器的设计及仿真

4．1 问题描述

4．2 航迹保持控制器设计

4．2．1 跟踪微分器的设计

4．2．2 扩张状态观测器的设计

4．2．3 非线性状态误差反馈控制律设计

4．3 仿真与结果分析

4．3．1 直线航迹保持控制仿真

4．3．2 曲线航迹保持控制仿真

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表论文

致谢

作者简介