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多艘动力定位船鲁棒自适应编队控制研究
| 论文题名： | 多艘动力定位船鲁棒自适应编队控制研究 |
| 关键词： | 动力定位船;自适应编队;轨迹追踪;滑模控制;运动稳定性 |
| 摘要： | 随着单艘动力定位船舶控制策略的不断完善和多艘动力动力定位船舶编队协同进行海上作业的普遍应用，多艘动力定位船舶编队控制的研究吸引了众多科研专家的注意力。相对于单艘动力定位船作业时间的有限性以及鲁棒性较差的缺点，多艘动力定位船舶编队协同作业不但能够显著提高作业效率，还具有自适应性以及容错性的优点。本文主要研究多艘动力定位船舶在面对时变的未知干扰和动力学参数不确定情况下的编队控制问题，主要研究内容包括以下几个部分： 首先，建立了两种船舶运动参考坐标系，根据两参考坐标系之间的相互转化关系推导出船舶的姿态运动学模型；并且基于刚体的动量和动量矩定理推导出船舶的低频动力学模型，由此得到船舶水平面三自由度运动数学模型；然后又讨论了外界环境载荷的海风、海浪、海流的数学模型；最后使用Matlab仿真软件，进行了水平面定常直航运动的仿真试验，验证了船舶航速和运动稳定性，又进行了水平面定常回转运动的仿真试验，验证了船舶模型的回转性能，同时验证了水平面三自由度运动数学模型的合理性。 然后，考虑到海洋环境中未知的时变干扰，设计了扩张状态观测器对外界环境中的时变干扰进行在线观测和估计；并且为了达到更好的编队控制效果，选择基于虚拟领航者的控制策略，将期望的轨迹输入虚拟领航者船舶中，通过每艘船舶与虚拟领航者的相对距离关系进而确定每一艘船舶的期望追踪轨迹；然后根据扩张状态观测器的输出，使用动态面方法分别为编队内的每艘船舶设计鲁棒编队控制器，使多艘水面船舶编队以固定的队形沿着期望的轨迹运动；最后设计了仿真试验，试验的结果表明了所设计的多艘船舶的鲁棒编队控制器的准确性。 最后，针对多艘水面船舶在未知的外界时变干扰和动力学参数不确定的情况下，以一定的队形协同执行轨迹追踪任务，并保证各船舶之间不会相互碰撞的编队控制问题。基于人工势函数法的控制思想，通过定义船舶和期望追踪轨迹之间的吸引势函数和船舶之间避免碰撞的互斥势函数，与滑模变结构控制方法相结合，处理时变的外界干扰以保证多艘水面船舶编队形成一个稳定的队形；然后再次结合反步滑模控制方法和李雅普诺夫合成法，分别为编队内的每艘船舶设计协同轨迹追踪控制器，使多艘船舶以固定的队形沿着期望的轨迹运动，并且能够保证船舶之间不会发生相互碰撞；最后设计了仿真实验，试验的结果表明了鲁棒自适应编队控制策略的合理性。 |
| 作者： | 王彬 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 丁福光 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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