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基于扰动观测的无人水下航行器复合航迹跟踪控制研究
| 论文题名： | 基于扰动观测的无人水下航行器复合航迹跟踪控制研究 |
| 关键词： | 无人水下航行器;航行轨迹;跟踪控制系统;稳定性能;快速收敛性 |
| 摘要： | 近年来，随着无人水下航行器水下作业任务的复杂程度日益提高，对航迹跟踪控制算法的要求也越来越高，在系统存在内部不确定性和外部扰动影响的情况下，单一的控制算法无法解决航行器航迹跟踪控制系统的多指标优化控制问题。本文以全驱动无人水下航行器为研究对象，以获得快速收敛性、精确性、鲁棒性的航迹跟踪控制性能为目标，结合扰动观测控制策略，着眼于解决复杂环境下的无人水下航行器高品质航迹跟踪控制问题，主要研究工作如下: 针对复杂环境下无人水下航行器的建模问题，通过将存在的参数化不确定性、结构性不确定性及受到的水下海浪流外界摄动纳入到一个统一的集总项作为系统的整体扰动，结合执行器饱和约束，采用Lagrange模型结构，构建复杂环境下无人水下航行器动态模型。 针对复杂外部环境扰动、参数化不确定性、未建模动态及执行器饱和情况下无人水下航行器鲁棒自适应航迹跟踪控制问题，采用动态面控制框架，提出一种具有规则匹配、生成、修剪和融合操作的简洁模糊神经扰动观测器，精确在线估计扰动集总项，并通过引入辅助动态系统消除输入饱和影响，保证闭环系统稳定性及信号有界性。数值仿真表明，该控制策略能够提供快速、精确、强鲁棒性跟踪性能。 为了提高控制系统实时性，针对无人水下航行器有限时间航迹跟踪控制问题，采用动态面控制框架，引入输入饱和误差变量并作为系统内部扰动，同时采用非线性扰动观测器在线估计扰动集总项，结合二阶滑模面及其控制律，保证闭环系统及信号的有限时间稳定性和收敛性。数值仿真表明，该控制策略在保证精确性和鲁棒性的前提下，能够有效提升系统的快速收敛性。 为了进一步提高控制系统实时性，消除收敛时间与初始状态关系，针对无人水下航行器固定时间航迹跟踪控制问题，采用Super-Twisting算法，设计固定时间扰动观测器在线估计包含输入饱和误差的扰动集总项，结合趋近律控制，提出变增益固定时间趋近控制律，保证闭环系统及其信号的固定时间稳定性和收敛性。数值仿真表明，该控制策略在有限时间控制的控制性能上进一步提升系统的快速收敛性。 通过上述研究工作可实现无人水下航行器航迹跟踪控制系统的有界稳定、有限时间稳定和固定时间稳定，满足特定水下作业任务中无人水下航行器对快速性、精确性及强鲁棒性的需求。 |
| 作者： | 刘厶源 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 刘彦呈 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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