欠驱动船舶轨迹跟踪滑模非线性控制研究

摘要

欠驱动船舶是一个特殊的非线性系统，具有多输入、多输出、强耦合、非完整性等特性。船舶在大洋航行中，风、浪、流等干扰引起的船舶运动干扰，究其本质可归为船舶模型参数摄动，而由于船舶装载质量和船速的动态变化，导致船舶模型参数不确定性。由于实际船舶速度状态矢量通常难以测量到，所以传统控制方法难以解决这个问题。随着快速发展的船舶与海洋工程系统中更多复杂的任务需求，探索新的船舶控制方法已经成为最近几年的热点。本文主要研究欠驱动船舶轨迹跟踪的滑模非线性控制，完成的主要研究工作如下:
　　(1)针对欠驱动船舶速度状态矢量不可测的轨迹跟踪控制问题，设计了基于观测器的欠驱动船舶输出反馈滑模控制器。首先利用Lyapunov方法设计出稳定的观测器，然后根据期望轨迹与实际位置信息相结合设计出运动学回路速度虚拟控制律，通过速度误差的镇定实现轨迹跟踪误差的镇定控制。在动力学回路设计一阶、二阶滑模面，采用指数趋近律得到推力滑模控制律与转艏力矩滑模控制律，并利用Lyapunov方法进行系统稳定性分析。
　　(2)针对存在模型参数不确定和外界干扰的欠驱动船舶轨迹跟踪问题，设计了RBF神经网络自适应滑模控制器。将外界干扰视为模型参数不确定部分，利用RBF可以逼近任意函数的特性，估计船舶模型的未知项。根据期望轨迹与实际位置信息相结合设计出运动学回路速度虚拟控制律，通过速度误差的镇定来实现轨迹跟踪误差的镇定控制。在动力学回路设计一阶、二阶滑模面，采用指数趋近律得到推力自适应滑模控制律与转艏力矩自适应滑模控制律，并利用Lyapunov方法进行系统稳定性分析。
　　(3)对于上述设计的输出反馈滑模控制器与RBF神经网络自适应滑模控制器进行了仿真验证。仿真结果表明，上述控制算法均可实现对封闭型轨迹与开放型轨迹的精确跟踪控制，从而验证了所设计控制算法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 欠驱动水面船舶轨迹跟踪控制研究现状

1．3 论文主要工作

第2章 欠驱动船舶轨迹跟踪非线性控制理论基础

2．1 Lyapunov稳定性理论

2．1．1 基本概念

2．1．2 Lyapunov稳定性定理

2．1．3 Barbalat引理

2．2 滑模变结构控制

2．2．1 滑模变结构控制基本原理

2．2．2 滑模变结构控制的定义

2．2．3 几种典型的趋近律

2．3 神经网络方法

2．4 本章小结

第3章 基于观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪输出反馈滑模控制

3．1 控制问题描述

3．2 观测器设计

3．2．1 构造观测器

3．2．2 观测器稳定性分析

3．3 运动学回路虚拟控制律设计

3．4 动力学回路滑模控制律设计

3．4．1 纵向推力滑模控制律设计

3．4．2 转向力矩滑模控制律设计

3．5 系统稳定性分析

3．6 仿真研究与分析

3．6．1 封闭型轨迹跟踪

3．6．2 开放型轨迹跟踪

3．7 本章小结

第4章 欠驱动船舶轨迹跟踪RBF神经网络自适应滑模控制

4．1 控制问题描述

4．2 运动学回路虚拟控制律设计

4．3 动力学回路滑模控制律设计

4．3．1 纵向推力滑模控制律设计

4．3．2 转向力矩滑模控制律设计

4．4 系统稳定性分析

4．5 仿真研究与分析

4．5．1 封闭型轨迹跟踪

4．5．2 开放型轨迹跟踪

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢