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原文传递 具有速度调节机制的无人帆船鲁棒自适应控制
论文题名: 具有速度调节机制的无人帆船鲁棒自适应控制
关键词: 无人帆船;路径跟踪;鲁棒自适应控制;速度调节器
摘要: 无人帆船由于具有节能、经济的优势已经成为热点研究问题之一,相比于传统的欠驱动船舶,无人帆船能够执行长航程、长时域值守任务,在海洋资源探索和环境监测方面具有重要应用价值。无人帆船在航行过程中由于受到参考路径和不定常风的影响,会出现单一制导结构无法提供迎风、顺风、横风航行参考信号,并且造成速度调节困难和控制信号频繁抖振现象。本文针对无人帆船基于航路点的路径跟踪控制展开研究,提出了鲁棒自适应控制算法,通过Lyapunov稳定性判据证明了控制系统具有半全局一致最终有界稳定,在模拟海况下进行仿真试验,验证了控制算法的有效性和鲁棒性。
  本文的主要创新工作分为以下2点:
  (1)针对存在模型参数未知、增益不确定和外界时变扰动的帆推进式无人帆船,提出了复合积分前向视距(IntegralLine-Of-Sight,ILOS)制导算法,能够为无人帆船在迎/顺/横风航行局面下分别提供实时参考信号。在复合ILOS制导框架下,采用径向基神经网络(RadialBasisFunction-NeuralNetworks,RBF-NNs)、自适应Backstepping技术和动态面控制(DynamicSurfaceControl,DSC)技术设计了基于帆角调节的鲁棒自适应控制器,分别对帆和舵设计速度调节器和艏向控制器。通过调节帆角,可以使无人帆船在三种航行局面下获得良好的速度性能。此外,由于鲁棒神经阻尼技术的优势,避免了在线更新神经网络权重参数,使得控制算法具有形式简捷、计算负载小的优势。
  (2)针对无人帆船在现实服役海洋环境下控制信号频繁传输、执行器故障以及存在帆推力不足引起速度难以收敛到期望航速的问题,提出了复合逻辑虚拟小船(LogicVirtualShip,LVS)制导算法,在复合LVS制导框架下,设计了具有速度调节机制的鲁棒自适应事件触发控制算法。采用输入事件触发机制解决了控制信号的频繁抖振问题,降低了控制器到执行器的信号传输负载。通过构建四个自适应参数,对未知的执行器故障和增益进行在线补偿。此外,通过帆角调节和螺旋桨输入补偿项的有效结合,实现了无人帆船在三种航行局面下航行速度的有效收敛。最后在MATLAB仿真平台上进行基于航路点的路径跟踪试验,验证了所设计算法能够在保持控制性能的基础上,极大的降低控制信号的传输负载。
  本文主要从制导和控制两方面对无人帆船路径跟踪展开研究,在制导方面,分别针对迎风、顺风和横风三种航行局面设计制导律,在控制方面,解决了无人帆船在航行过程中速度调节困难、控制输入频繁抖振的问题,对加快无人帆船工程应用具有重要意义。
作者: 李纪强
专业: 交通运输工程
导师: 张国庆
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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