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原文传递欠驱动水面船舶的镇定控制研究

论文题名：	欠驱动水面船舶的镇定控制研究
关键词：	欠驱动水面船舶;镇定控制;级联系统;反步法
摘要：	如今在控制科学领域各国研究学者们主要关注的热点问题是如何实现用较少的控制输入达到对多自由度被控对象的控制，这类问题是一类欠驱动控制问题。欠驱动系统指控制输入数目比系统的广义坐标变量或自由度数目少的系统。对欠驱动船舶的研究意义在于不仅能降低系统费，而且控制器的减少可减轻船舶重量。　　本文研究关于欠驱动水面船舶的镇定控制问题，且重点考虑了欠驱动水面对称船舶和欠驱动水面不对称船舶的镇定。通常船舶只有左右对称性，而没有前后对称性，这就意味着数学模型中惯性参数矩阵M以及阻尼矩阵D(v)的非对角元素不为零。然而，现有的大量针对船舶镇定控制研究的文献中，都默认船舶为对称船舶，即船舶前后左右都对称，也就是忽略了上述的非对角元素，弱化了运动状态之间的耦合特性。本文将针对只具有螺旋桨以及舵机的水面船舶（即是欠驱动水面船舶）分别展开欠驱动对称船舶和欠驱动不对称船舶的镇定控制研究。　　本文以常规的水面船舶为研究对象，从运动学特性和动力学特性两个方面介绍了三个自由度的水面船舶动态特性，并建立了欠驱动对称和不对称船舶的数学模型。对欠驱动水面对称和不对称船舶进行微分同胚变换，并证明了只要其中是一个子系统能够达到渐进稳定，即可说明整个系统也能实现渐进稳定。同时介绍了一类用全局指数稳定控制法设计的控制律，此方法为欠驱动不对称船舶镇定控制的研究提供了分析的方法以及思路。　　通过反步法和级联系统理论结合，把经过微分同胚变换后的欠驱动水面船舶系统分解为两个子系统经积分环节串联的方式，使用李雅普诺夫函数设计控制器稳定其中一个子系统，最后用反步法思想使得欠驱动水面船舶实现全局一致渐进稳定，且收敛到原点。　　最后搭建Simulink仿真，对利用反步法得到的对称船舶和不对称船舶控制器分别进行验证仿真，实验表明本文设计的控制器控制效果比较理想，能够使得系统的各状态收敛于原点。且相对指数镇定方法，反步法的设计更为简单直接。最后对比仿真曲线发现不对称船舶的非对角线元素对系统镇定会有影响。
作者：	陈功
专业：	控制科学与工程
导师：	徐进学
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文