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考虑执行器限制的无人船轨迹跟踪最优控制研究
| 论文题名： | 考虑执行器限制的无人船轨迹跟踪最优控制研究 |
| 关键词： | 无人船;轨迹跟踪;最优控制;执行器限制;Actor-Critic框架 |
| 摘要： | 无人船是一种具有自主航行能力的智能水面机器人，当装备不同的工作模块时即可执行相应的海洋任务，故国内外学者及工程技术人员都非常重视无人船的研制与开发。其中，无人船的精确轨迹跟踪是其能够完成各种海洋任务的首要前提，因此成为无人船研究领域的热点问题之一。 由于无人船推进器与侧推器等自身的物理特性，令其往往存在死区、饱和及延时等执行器限制问题，在设计无人船轨迹跟踪控制器时，若这些执行器受限问题未能加以考虑，不仅会导致无人船不能精确地跟踪参考轨迹，还可能造成执行器的损坏，甚至造成翻船等严重后果，故很有必要考虑实际工程应用中的无人船执行器受限问题。本文针对带有执行器限制的无人船轨迹跟踪控制系统，采用最优控制理论设计轨迹跟踪最优控制器以提高无人船的动态跟踪性能，实现对无人船参考轨迹的高精度跟踪。具体研究内容如下： 首先，针对带有执行器死区限制的无人船轨迹跟踪最优控制问题，提出了一种基于反步法与自适应动态规划的轨迹跟踪最优控制策略。该控制策略能够精确跟踪参考轨迹的同时保证了动态最优的跟踪性能，执行器死区限制的问题亦得以解决。 其次，针对带有执行器饱和限制的无人船轨迹跟踪最优控制问题，提出了一种基于强化学习Actor-Critic框架的无人船指定性能轨迹跟踪最优控制策略。该控制策略有效地克服了饱和函数不连续可导的影响，同时将无人船的动态跟踪误差约束在指定的范围内，提高了动态跟踪性能，并保证了轨迹跟踪控制器的最优性。 之后，针对带有执行器延时限制的无人船轨迹跟踪最优控制问题，提出了一种基于最优反步法的无人船轨迹跟踪最优控制策略。该控制策略结合反步法与Actor-Critic框架，保证了无人船轨迹跟踪控制系统的虚拟控制器与实际控制器均为最优控制器，并且有效地克服了执行器延时限制的影响，通过设计神经网络逼近器有效地消除了系统未知动态与系统建模不准确的影响。 文中根据Lyapunov稳定性判据分别验证了上述基于本文所提策略下无人船轨迹跟踪控制系统的稳定性，最后的仿真实验亦验证了本文针对三种执行器受限情况下分别设计的轨迹跟踪最优控制器的有效性与优越性。 |
| 作者： | 杨忱 |
| 专业： | 电力电子与电力传动 |
| 导师： | 赵红;王宁 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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