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基于LMI约束的抗横摇欠驱动船舶航迹跟踪
| 论文题名： | 基于LMI约束的抗横摇欠驱动船舶航迹跟踪 |
| 关键词： | 欠驱动船舶;航迹跟踪;横摇约束;预测控制;线性矩阵不等式 |
| 摘要： | 目前大多数的船舶只装备螺旋桨和舵装置,其中舵装置提供的转矩用来控制船舶航向角和艏摇角速度，螺旋桨则提供纵向推进力来维持纵向速度，因而具有典型的欠驱动特性。欠驱动船舶在航行时，往往会受到风、浪、流的影响，产生大幅度的横摇运动。大幅度的横摇运动不仅会影响船载设备的正常工作、损坏货物，而且会恶化控制系统稳定性和安全性能，严重的甚至导致船舶倾覆。所以，在欠驱动船舶航迹跟踪中要严格限制横摇角的变化幅度。 由于船舶横摇响应周期和艏摇响应周期具有较大差异，因此可利用船舶舵装置操舵时产生的横倾力矩抵消风、浪、流引起的横倾扰动力矩，实现舵减摇。但是，舵装置主要作用是航向控制，因此在航向控制和减摇之间存在强耦合关系，而如何协调好航向控制和减摇性能是船舶控制领域的难点之一。本文针对具有横摇约束的欠驱动船舶航迹跟踪问题，采用模型预测控制算法进行研究，实现欠驱动船舶航迹跟踪和横摇抑制的协调控制。论文主要内容如下： 首先，建立耦合横摇的四自由度非线性航迹跟踪模型，采用分段线性仿射系统对其进行逼近，并采用输出重定义将舵减摇的非最小相位系统转化为最小相位系统。为提高系统鲁棒性，基于干扰观测器估计风、浪、流干扰和线性化建模误差，并设计前馈控制进行实时补偿。在此基础上，基于预测控制滚动优化和状态空间预测的策略，获得解析预测控制律，并通过线性规划保证了横摇角约束。通过仿真验证了所提算法的有效性。 其次，将横摇角约束作为系统状态约束，基于线性矩阵不等式（LMI，Linear Matrix Inequality）进行抗横摇航迹跟踪控制器的设计。通过Schur补将输入约束、状态约束、性能指标约束和稳定性约束转化为LMI凸优化问题，进行在线滚动优化求解。在此基础上，进一步采用离线设计椭圆不变集、在线增益调度的方法，以降低在线计算量并获得更好的实时控制性能。此外，在舵角单控制输入的基础上，建立结合螺旋桨桨速的双输入模型，基于LMI进行预测控制器设计，并与单输入进行仿真对比分析。 最后，针对存在风、浪、流干扰的航迹跟踪问题，采用多面体建模描述原非线性模型，基于混合H2/H?指标设计鲁棒预测控制器。其中，H2指标保证控制系统航迹跟踪的良好性能，H?指标保证了控制系统对集总干扰的抑制作用。通过设计新的系统约束，使系统具有稳定性保证，并有较好的控制鲁棒性能。在仿真验证的基础上，采用HEU—2自航模对所提算法有效性进行实验验证。 |
| 作者： | 李国胜 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 张军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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