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原文传递带观测器的船舶动力定位时滞控制研究

论文题名：	带观测器的船舶动力定位时滞控制研究
关键词：	动力定位舶;时滞现象;鲁棒H∞控制;扰动观测器
摘要：	随着世界经济的发展，对于海洋资源的开发与利用受到了越来越多人的重视。由于海洋环境复杂，这就要求动力定位船在海面工作时能够很好的估计外界的状态与扰动。时滞现象广泛存在于动力定位系统中，如推进器的响应滞后，控制系统的网络延时等。时滞现象会影响系统的稳定性，对动力定位船的精确定位产生影响。而鲁棒H∞控制在处理时滞、不确定扰动等方面有着突出的优点，因此本文通过选用合适的观测器来对动力定位船的状态及扰动进行估计。对含有时滞的动力定位系统，将动力定位系统的状态及扰动等作为反馈来设计控制器，实现系统的鲁棒H∞控制，大大提高了船舶在海面的作业能力。　　本文以动力定位船为研究对象，考虑在含有输入时滞及外界扰动的情况下，设计合适的控制器与观测器，对动力定位船的状态及扰动进行估计。采用H∞控制理论，在含有时滞与外扰的情况下，构造合适的Lyapunov泛函方程，证明得出闭环系统的渐进稳定。推导得出的LMI来求取控制增益，使动力定位船在面对许多未知扰动的情况下实现定点控制，仿真验证了理论的正确性。具体从以下方面进行研究: 　　首先，对于水面船建立包含六个自由度的船舶数学模型，包括运动学和动力学模型。接着给出了海面常见的风、浪、流的数学模型，利用传统的PID作为控制指令，在MATLAB仿真环境下进行仿真实验，验证了模型的有效性。　　其次，将船舶模型转化为标准的鲁棒控制模型。通过对扰动观测器的介绍，将扰动观测器引入到船舶动力定位系统中。考虑了在含有输入时滞的情况下，设计了一种扰动观测器,将船舶已知的状态及观测到的扰动作为反馈传递给控制器。采用H∞控制理论，利用时滞分解的方法，通过构造合适的Lyapunov函数来证明闭环系统的稳定性，相应的LMI通过求解得到控制增益与扰动增益。通过仿真验证了在含有时滞的情况下船舶精确地定位能力以及扰动观测器对外界扰动良好的估计。　　最后，将自抗扰控制的核心——扩张状态观测器引入到含有输入时滞的船舶动力定位系统中。将船舶模型上常用的三阶扩张状态观测器转化为线性ESO的形式，然后推导得出合适的控制器。将线性ESO估计的状态传给控制器，采用鲁棒H∞控制理论，同样利用时滞分解的方法，通过构造合适的Lyapunov函数来证明闭环系统的稳定性。通过LMI求解得出控制增益，仿真验证了在含有输入时滞的情况下，船舶良好的定位能力以及线性ESO对船舶位置、速度等精确的估计。　　经过理论推导及仿真验证，证明了在含有输入时滞的情况下，鲁棒H∞控制能够很好的克服时滞以及外界扰动对系统稳定的影响，线性扩张状态观测器的状态估计与扰动观测器的扰动估计能力突出。本课题的研究对含有时滞的船舶动力定位作业有一定的价值。
作者：	朱德鹏
专业：	控制工程
导师：	赵大威;李来春
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文