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基于非线性观测器的动力定位控制研究
| 论文题名： | 基于非线性观测器的动力定位控制研究 |
| 关键词： | 动力定位系统;船舶控制;输入饱和;非线性观测器;自适应滤波 |
| 摘要： | 海洋资源的开发离不开装有动力定位系统的船舶和平台，而控制系统是动力定位系统的重要组成部分，其通过引入船舶位置等信号得到使船舶保持一定姿态或到达目标位置所需要的控制力。船舶的位置测量信号由于复杂海洋环境的干扰附带大量噪声，为了避免推进器不必要的磨损和能源消耗，测量的位置信号需要被滤波再进入控制回路，同时难以准确测量的船舶速度也需要引入观测器进行估计。在引入观测器基础上，为了使船舶定位控制响应快、超调小，文章的主要研究内容如下： （1）在引入观测器进行滤波估计的基础上，考虑到船舶需要用较少的时间到达目标位置，且推力在一定范围内。为了减少反步法计算量引入动态面控制技术，考虑推进器的物理限制加入饱和非线性，设计附加系统避免饱和非线性影响系统稳定性。设计李雅普诺夫函数并选择符合要求的设计参数，保证整个闭环系统的稳定性。最后选择一艘供给船作为仿真对象，搭建数学模型进行仿真，结果表明与基于该观测器的比例-积分-微分（PID）控制进行对比，设计的控制系统响应速度更快、控制精度更高。 （2）为了使得船舶到达目标位置后保持更小的偏移量，并减小推力变化的范围，进而取得更好的控制效果，将上一部分中的观测器替换为滤波估计效果更好的增广无源观测器，再引入动态面控制技术结合矢量反步法设计控制器，并加入饱和非线性与附加系统，然后设计李雅普诺夫函数并选择合适的设计参数，保证整个系统的稳定性。最后使用同一艘供给船进行仿真验证，结果表明所设计的控制系统可以实现船舶的高精度定位；与第二部分提出的方法进行对比，两者控制精度差别较小，控制输入的振荡幅度更小。 （3）考虑到海况变化的情况，前两部分的固定参数观测器滤波效果会由于波浪的变化而变差，并影响到速度和环境干扰的估计。使用增广无源观测器设计多模型自适应滤波观测器，即针对不同的波浪分别设计增广无源观测器，估计值通过子观测器的加权求和求得。对权值和观测器的估计误差进行收敛性证明，再引入经典PID控制器进行仿真验证，结果表明所设计的多模型自适应滤波观测器可以完成滤波与估计，并且有一定的自适应能力。 |
| 作者： | 任亚飞 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 李文华 |
| 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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