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基于有限时间干扰观测器的水面船舶轨迹跟踪控制器设计研究
| 论文题名： | 基于有限时间干扰观测器的水面船舶轨迹跟踪控制器设计研究 |
| 关键词： | 水面船舶控制系统;轨迹跟踪控制器;有限时间干扰观测器;误差分析 |
| 摘要： | 船舶跟踪控制系统基于其控制输入维数可分为欠驱动系统与全驱动系统。有三个方向控制力矩的全驱动系统具有高精度的特点；而横向没有驱动装置的欠驱动系统具有高可靠性和易维护性的特点。船舶进行水面作业时，因实际情况容易受到来自模型不确定性，未知干扰和输入受限等因素的影响，这使得水面船舶控制系统的轨迹跟踪控制器设计具有挑战性，因此研究水面船舶轨迹跟踪控制具有重要的理论意义与应用价值。 本文以三自由度水面船舶为研究对象，从全驱动和欠驱动两方面进行研究。针对存在输入受限、外部环境干扰和模型不确定性的水面船舶控制系统，使用干扰观测器估计干扰。将干扰估计值与控制器结合，实现对控制目标的高精度轨迹跟踪控制。由于传统干扰观测器面对船舶水面作业受到的未知干扰仍存在一定局限性，本文研究了一种有限时间干扰观测器(finite time disturbance observer,FTDO)，此类观测器可以实现观测误差有限时间内收敛至零。本文研究内容主要包括以下三个方面： (1)针对受外部环境干扰和输入受限影响的全驱动水面船舶，设计了一种有限时间干扰观测器。基于此有限时间干扰观测器，设计了一种能有效抑制抖振的轨迹跟踪滑模控制算法。此控制算法在输入受限的约束范围内能够对系统进行有效控制，实现水面船舶控制系统的位置跟踪误差渐近趋于零。 (2)针对受外部环境干扰和输入受限影响的欠驱动水面船舶，提出了一种快速有限时间干扰观测器，并通过Lyapunov稳定性分析证明其有效性。基于快速有限时间干扰观测器，利用反步法设计了一种新的轨迹跟踪复合控制器，实现了水面船舶控制系统轨迹跟踪误差有限时间内趋于零点半径任意小的邻域内。 (3)针对受模型不确定性、外部环境干扰和输入受限影响的欠驱动水面船舶，设计了一种有限时间集中干扰观测器(finite time lump disturbance observer,FTLDO)。基于反步法和有限时间集中干扰观测器，设计了一种新的轨迹跟踪滑模控制器，此控制器能够抑制模型不确定性，外部环境干扰和输入受限的影响。实现了水面船舶系统轨迹跟踪误差有限时间内趋于零点半径任意小的邻域内。 |
| 作者： | 纪侃宏 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 於鑫 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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