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基于观测器和滤波反步法的船舶轨迹跟踪及编队控制研究
| 论文题名： | 基于观测器和滤波反步法的船舶轨迹跟踪及编队控制研究 |
| 关键词： | 船舶轨迹跟踪;编队控制;观测器;滤波反步法;误差补偿 |
| 摘要： | 近年来，船舶运动控制在海洋环境保护、军事任务执行等领域有着广泛的应用，受到世界各国越来越多的关注。众多国内外学者对船舶运动控制展开了深入且全面的探索与研究。本文针对全驱动三自由度水面船舶在海洋运动过程中的轨迹跟踪和编队控制问题展开了研究，首先设计观测器估计复合扰动，再利用反步法、滤波器以及滤波误差补偿等方法设计控制器，从而实现控制目标。具体研究内容如下： 1、研究了具有模型不确定及时变扰动下的船舶轨迹跟踪控制问题。首先，为处理船舶模型参数不确定以及外部未知的环境扰动问题，利用超螺旋（super-twisting）算法设计了自适应有限时间干扰观测器。然后，利用反步法设计控制器，为防止反步法中会出现的计算复杂以及微分爆炸问题，采用一阶低通滤波器代替对虚拟控制律求导，同时设计滤波误差补偿机制降低滤波误差的影响，从而提高系统的控制精度。最后，通过李雅普诺夫稳定性理论证明船舶轨迹跟踪系统渐近稳定，并利用MATLAB仿真验证了所提出方法的有效性。 2、研究了执行器攻击下船舶有限时间轨迹跟踪控制问题。针对船舶模型参数不确定以及外部未知的环境扰动问题，首先利用super-twisting算法设计固定时间干扰观测器估计复合扰动并进行补偿，观测器的收敛时间不依赖于系统初始值。然后，利用反步法设计有限时间鲁棒控制器，为避免发生奇异现象，引入有限时间指令滤波对虚拟控制律求导，同时设计滤波误差补偿机制消除滤波误差，并在控制律中增加了自适应项来克服时变的、依赖状态的执行器攻击的影响。最后，通过李雅普诺夫稳定性理论证明系统的有限时间稳定性，并利用MATLAB仿真验证了该方法的有效性。 3、研究了执行器攻击下的船舶有限时间编队控制问题。考虑由一个虚拟领航者和N个跟随者组成的船舶编队系统，利用固定时间干扰观测器估计并补偿每艘船的模型参数不确定和外部干扰。然后，利用领航-跟随法为船舶编队控制系统设计分布式鲁棒控制器，使得每艘船的自身编队跟踪误差和协同编队误差在有限时间内收敛到零的有界邻域，从而保持期望的队形。最后，通过李雅普诺夫稳定性理论证明编队控制系统有限时间稳定性，并利用MATLAB仿真验证了所提出方法的有效性。 |
| 作者： | 云茜 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 于双和 |
| 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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