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带约束的水面船有限时间轨迹跟踪及编队控制研究
| 论文题名： | 带约束的水面船有限时间轨迹跟踪及编队控制研究 |
| 关键词： | 水面船;轨迹跟踪;编队控制;有限时间 |
| 摘要： | 在建设海上丝绸之路和海洋强国战略构想的驱动下，远洋运输及海洋工程行业迅速发展，海洋水面船(MarineSurfaceVessel，MSV)扮演着至关重要的角色。在军事国防及民用科研领域，MSV的运动控制问题也受到人们广泛关注，控制算法逐渐朝着更具精确性、鲁棒性及安全性方向发展。本文主要研究的是受约束的MSV有限时间轨迹跟踪及编队控制问题，提高了船舶航行期间的安全性。考虑MSV可能受模型不确定性、外部海洋环境的干扰以及输入饱和问题的影响，分别对受约束的MSV在轨迹跟踪控制、领航跟随控制以及编队包含控制问题上展开研究。本文主要的研究内容如下： 1.针对带有全状态约束及输入饱和的MSV轨迹跟踪控制问题，提出了一种轨迹跟踪控制策略。首先，通过有限时间扰动观测器观测出由模型不确定性和外部时变干扰构成的复合扰动，采用有限时间指令滤波器获取虚拟控制的导数值，并采用滤波误差补偿机制处理滤波误差的影响。其次，通过对数障碍李雅普诺夫函数防止位置误差和速度误差超过约束，采用饱和辅助动态系统处理输入饱和问题。然后，基于反步法设计有限时间全状态约束轨迹跟踪控制律。最后，仿真结果表明了设计的控制律可使MSV在有限时间内跟踪上期望轨迹。 2.针对带有误差约束及输入饱和的多MSV的领航跟随问题，提出了一种分布式编队控制策略。首先，通过固定时间扰动观测器观测复合干扰。其次，通过时变tan型障碍李雅普诺夫函数防止协同位置跟踪误差超过约束，采用饱和辅助动态系统处理输入饱和问题。然后，基于图论、有限时间指令滤波器以及滤波误差补偿机制设计分布式有限时间编队控制律。最后，通过仿真验证了设计的分布式编队控制律可以使MSV以期望队形跟踪虚拟领航者。 3.针对预设性能MSV编队包含控制问题，提出一种分布式控制策略。首先，通过误差转换函数将考虑约束的编队误差和包含误差转换成等效的无约束误差。其次，基于有限时间指令滤波器、滤波误差补偿机制以及改进的饱和辅助动态系统设计有限时间编队控制律和包含控制律。最后，通过仿真验证了设计的编队包含控制律可使跟随者在有限时间收敛到领航者围成的凸包内。 |
| 作者： | 胡明月 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 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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