基于Backstepping的船舶动力定位系统控制器设计

摘要

船舶在海面上作业时，会遇到风、浪、流等来自海洋环境的扰动，这样船舶就产生了受扰运动。如果要想使船舶在海面上保持一定的位置，或者当出现位置偏差时，能够自动回到设定的位置，则需要船舶具有能够产生反力和反力矩的能力。利用推力器提供的力和力矩去抵抗环境力，保持所要求的船位是一种理想的方法，这种方法称为动力定位。所谓船舶动力定位系统，就是利用推力器来控制船舶位置及其首向的系统。船舶动态具有大惯性、时滞、非线性等特点：船在海面上又易受风、浪、流等环境因素的影响，使得船舶动力定位控制成为一个带有不确定扰动项的非线性控制问题。采用传统PID控制策略及常规控制策略已远不能满足控制性能和系统鲁棒性的要求，该领域仍存在需要进一步研究的问题：一是船舶运动数学模型的非线性问题：二是用于控制器设计的模型存在干扰问题。鉴于上述问题，如何将一些更为有效的控制算法应用于动力定位控制领域显得更为重要。针对以上问题，本文特别讨论了近20几年来最具代表性的、具有里程碑意义的非线性设计方法，即Backstepping算法。 本文研究了基于Backstepping的船舶动力定位控制器设计问题。建立了带有不确定扰动的船舶动力定位非线性数学模型。基于Backstepping方法设计了两种船舶动力定位非线性鲁棒控制器。首先对带有不确定扰动，且扰动界已知的动力定位船舶模型进行控制器设计，并取得了全局指数稳定的控制效果。考虑到海洋环境所具有的随机性对船舶影响，又对带有界未知扰动的船舶模型进行控制器设计，通过证明满足了L2控制标准，取得了全局稳定的控制效果。应用Matlab/Simulink仿真工具以一条带有动力定位系统的供给船为对象，对两种方法设计的控制器分别进行计算机仿真研究，仿真结果表明，船舶实际位置能够保持期望位置，达到了满意的控制效果，验证了所设计控制器的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1问题的提出

1.2船舶动力定位系统国内外研究现状与发展

1.3非线性控制理论的发展

1.4本文研究内容

第2章非线性动力定位船舶平面运动模型

2.1动力定位船舶平面运动学方程

2.2动力定位船舶平面动力学方程

第3章Lyapunov稳定性理论

3.1 Lyapunov稳定性定义

3.1.1平衡状态

3.1.2 Lyapunov意义下的稳定性定义

3.2 Lyapunov设计方法

3.2.1 Lyapunov间接法

3.2.2 Lyapunov直接法

3.3本章小节

第4章非线性控制理论基础

4.1 Backstepping设计方法

4.1.1 Backstepping概述

4.1.2 Backstepping设计方法原理

4.2非线性系统的鲁棒控制

4.2.1鲁棒控制概述

4.2.2干扰抑制问题

4.2.3L2增益与HJI不等式

第5章船舶动力定位系统控制器设计

5.1扰动界已知的基于Backstepping方法鲁棒控制器设计

5.1.1控制器设计

5.1.2仿真研究

5.2扰动界未知的基于Backstepping方法的鲁棒控制器设计

5.2.1控制器设计

5.2.2仿真研究

结 论

参考文献

致 谢