基于无源性的船舶直线航迹控制设计

摘要

耗散性系统理论自上世纪70年代提出以来在系统稳定性的研究过程中起到重要的作用。针对不同的供给率，耗散系统理论的侧重点也有所不同。无源控制正是耗散控制理论中供给率为输入输出信号之乘积形式的一个特例，体现了系统在有界输入条件下能量的衰减特性。无源性理论主要用于分析非线性系统的稳定性问题，其稳定性结果由无源系统的稳定性性质得出。事实上，基于李雅普诺夫函数的镇定理论，也可以从无源性的角度加以解释，即在对系统进行镇定时，对李雅普诺夫函数的构造可以转化为对系统无源的存储函数的构造。 随着海上运输量的增加，船舶趋向大型化和高速化，导致海上的交通密度不断加大，航行安全越来越受到威胁。与此同时，为了节省燃料消耗，提高营运的经济效益，减轻操作人员的劳动强度，人们开始探索高智能化船舶的研究和开发，可以说这已成为当前世界上主要航运国家的一个重要研究课题。高智能化船舶的基本要求是船舶运航自动化，其中的一个方面便是船舶的航迹控制自动化。本文将无源性系统理论引入船舶直线航迹控制，利用Backstepping设计方法，提出了一种鲁棒全局状态反馈控制器，使得闭环系统是无源且渐近稳定的。同时，运用MATLAB软件进行仿真，验证了在该控制器的作用下，系统在无外界干扰和有外界干扰两种情况中的稳定性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的意义与背景

1.2船舶运动控制发展综述

1.2.1航向自动舵及其控制算法

1.2.2航迹自动舵及其控制算法

1.3航迹控制算法的研究现状

1.4本文的主要工作

第2章船舶运动数学模型

2.1引言

2.2船舶运动的坐标系和运动学

2.2.1船舶运动的坐标系统

2.2.2船舶平面运动的运动学

2.3船舶操纵性数学模型

2.3.1基于MMG建模思想的船舶运动方程

2.3.2螺旋桨上的流体动力模型

2.4船舶运动的干扰力数学模型

2.4.1风的干扰力数学模型

2.4.2波浪的干扰力数学模型

2.4.3流的干扰力数学模型

2.5船舶直线航迹控制系统的数学模型

2.5.1船舶航迹控制系统的数学模型

2.5.2外力干扰下的船舶航迹控制系统的数学模型

2.6本章小节

第3章理论知识准备

3.1 Lyapunov稳定性理论

3.1.1李雅普诺夫关于稳定性的定义

3.1.2李雅普诺夫稳定性理论

3.2 Backstepping设计方法

3.3无源性理论

3.3.1无源性理论概述

3.3.2无源性定义

3.3.3无源性与稳定性

第4章无源控制器设计

4.1引言

4.2问题的提出

4.3无源控制器的设计

4.4稳定性分析

4.4.1 w=0情况下的仿真

4.4.2 w=0.1情况下的仿真

4.4.3 w=sint情况下的仿真

第5章考虑舵机特性的无源控制器设计

5.1舵机特性计算模型

5.2考虑舵机特性的无源控制器设计

5.2.1问题的提出

5.2.2考虑舵机特性的无源控制器的设计

5.3稳定性分析

5.3.1 w′=0情况下的仿真

5.3.2 w′=0.1情况下的仿真

5.3.3 w′=sint情况下的仿真

结 论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致 谢

研究生履历