具有指定控制性能的船舶航向保持控制研究

摘要

随着造船技术的长足进步和世界航运业的蓬勃发展，船舶趋向于专业化、大型化、自动化及高速化，对船舶操纵、控制性能的要求越来越高，对船舶运动控制地研究也就显得越来越重要。其中，船舶航向保持控制研究成为船舶运动控制领域的一个重要研究方向。船舶在海上航行过程中，由于装载状态、航速等变化的影响和风、浪、流等外界因素的干扰，使船舶航向保持控制系统具有非线性、不确定性等特点。因此，对其控制性能的进一步研究具有重要的实际意义。
　　本文基于Lyapunov稳定性理论、Barbalat引理、Nussbaum不变性引理和Backstepping技术，针对一类不确定严反馈非线性系统，提出了新的控制算法，解决了闭环系统暂态和稳态控制性能无法预先指定的问题。所提出的控制算法具有鲁棒性强、物理意义明显的特点。
　　针对系统中存在的漂移不确定问题，定义一种新型的Lyapunov分段连续可微函数，设计了一种鲁棒λ调节控制算法，最终实现系统的稳态误差收敛到预先指定的区域内。
　　针对系统中存在的符号已知时变控制增益不确定问题，提出了一种更普遍、更有效的鲁棒λ调节控制算法，能够同时处理漂移不确定和控制增益不确定问题，使所有信号满足一致最终有界且跟踪误差最终收敛于预先指定的区域内。
　　针对系统中存在的符号未知控制增益不确定问题，构建一种新的Nussbaum稳定性引理，提出一种能够有效处理时变控制增益不确定的鲁棒λ调节控制算法，能够同时处理漂移不确定和控制增益不确定问题，使所有信号满足一致最终有界且跟踪误差最终收敛于预先指定的区域内。
　　针对闭环系统的暂态/稳态控制性能问题，通过引入性能函数将考虑暂态/稳态控制性能的约束系统转换为无约束的一类严反馈非线性系统，设计了一种同时考虑暂态/稳态控制性能的控制算法。该算法不仅能够保证闭环系统输出误差最终收敛于一个预先指定的区域内，而且还可以保证系统满足预先指定的暂态性能。
　　最后将研究结果应用于船舶航向保持控制系统，设计实际控制器。利用Matlab进行仿真实验，实验结果验证了所有控制算法的有效性。
　　本文的研究结论具有较强的理论意义和较高的实用价值，有助于提高船舶操控性能、保障航行安全、节省人力和能源消耗，为数字航海、智能航海打下坚实的基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及其意义

1．2 国内外研究现状综述

1．3 本文的主要工作与内容安排

1．3．1 拟解决关键问题及分析

1．3．2 主要内容安排

第2章 理论基础知识

2．1 Lyapunov稳定性理论和Backstepping方法

2．1．1 Lyapunov稳定性理论

2．1．2 Backstepping设计

2．2 船舶航向控制系统数学模型

2．3 鲁棒λ调节控制稳定性引理

2 . 4 本章小结

第3章 考虑系统漂移不确定的船舶航向鲁棒λ调节控制

3．1 问题描述

3．2 基于鲁棒λ调节技术的控制器设计及稳定性分析

3．2．1 控制器设计

3．2．2 稳定性分析

3．3 仿真研究

3．3．1 船舶航向保持控制器设计

3．3．2 实验结果

3．4 本章小结

第4章 符号已知控制增益不确定条件下船舶航向鲁棒λ调节控制

4．1 问题描述

4．2 考虑系统控制增益不确定的鲁棒λ调节控制

4．2．1 控制器设计

4．2．2 稳定性分析

4．3 仿真研究

4．3．1 船舶航向保持控制器设计

4．3．2 实验结果

4．4 本章小结

第5章 符号未知控制增益不确定条件下船舶航向鲁棒λ调节控制

5．1 问题描述

5．2 考虑符号未知增益函数不确定的鲁棒λ调节控制

5．2．1 控制器设计

5．2．2 稳定性分析

5．3 仿真研究

5．3．1 船舶航向保持控制器设计

5．3．2 实验结果

5．4 本章小结

第6章 考虑暂态／稳态控制性能的船舶航向保持控制

6．1 问题描述

6．2 系统指定性能函数设计

6．3 具有系统暂态／稳态指定性能设计的自适应控制

6．3．1 控制器设计

6．3．2 稳定性分析

6．4 仿真研究

6．4．1 船舶航向保持控制器设计

6．4．2 实验结果

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介