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原文传递输入输出受限全驱动船舶的路径跟踪自适应动态面控制

论文题名：	输入输出受限全驱动船舶的路径跟踪自适应动态面控制
关键词：	船舶航行;路径跟踪;自适应动态面控制;障碍李雅普诺夫函数;预设性能函数;事件触发机制;避碰算法对视线法
摘要：	近些年来，船舶在海上救援、海洋勘探和资源开发等各种海洋工程起到了关键的作用，使得船舶运动控制受到了广泛的关注。船舶在执行路径跟踪任务时不受时间要求，只需对目标路径的几何位置进行跟踪。本文充分考虑了船舶在实际航行中的各种问题：过大的信号会使得船舶执行器造成物理损坏；在狭小水域，船舶的误差不能过大，否则会引起碰撞危险；时刻产生的制导信号会使得船舶控制器计算压力过大；时刻产生的控制器信号会加大执行器的物理损耗；路径跟踪过程中还需要考虑对移动障碍物的避碰等等。在制导率的设计中，结合障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov function, BLF), 预设性能函数，事件触发机制，避碰算法对视线法(Line-of-sight, LOS)制导率进行改进。在控制器的设计中，以反演法和动态面技术作为控制框架，结合BLF、预设性能函数、事件触发机制、输入受限辅助系统、神经网络、自适应技术等理论工具，针对性解决船舶路径跟踪过程中产生的上述问题。本文研究内容和成果如下：　　第一，针对输入受限、模型不确定和存在未知干扰的全驱动水面船，首先提出一种基于预设性能视线法制导(Prescribed performance Line-of-sight，PPLOS)的路径跟踪自适应动态面控制方法。首先设计具有预设性能的非对称改进型障碍李雅普诺夫函数(Prescribed performance asymmetric modified barrier Lyapunov function, PPAMBLF)设计预设性能视线法制导，对船舶路径位置误差进行约束，使得路径跟踪误差收敛在预设范围内。并且将PPAMBLF进一步应用于船舶路径跟踪的艏摇控制中，使得艏摇角误差也满足预设性能要求。采用反演法并结合动态面技术来设计船舶路径跟踪控制器，有效避免了“微分爆炸”问题。然后通过构造输入受限辅助函数，补偿输入受限对系统影响。设计自适应率对神经网络逼近误差与外界环境扰动的界进行估计。Lyapunov稳定性分析证明了闭环系统所有信号满足一致渐进稳定(Semi-globally uniformly ultimately bounded, SGUUB)。　　第二，在前一部分的基础上，为了更好减少船舶计算压力和执行器物理损耗，本章提出一种双重事件触发预设性能路径跟踪控制策(Error-constrained line-of-sight guidance-based prescribed performance dual event-triggered path following control, ETECLOS-PPETPFC)。在制导部分设计一种基于事件触发的误差约束LOS制导方法，采用相对阈值事件触发策略和对称改进型障碍李雅普诺夫函数(Asymmetric modified barrier Lyapunov function, AMBLF)，即可以降低制导艏摇角的更新频率，减少控制端的计算压力，又可以使得船舶位置误差保持在约束范围；采用基于相对事件触发策略和PPAMBLF函数构造艏摇控制器，使得艏摇误差满足预设性能要求，同时减少控制器与执行器的通信频率，减少执行器的损耗。其次，采用自适应辅助系统补偿输入受限的影响，并且采用RBFNN对模型不确定进行逼近，采用自适应率对神经网络逼近误差和复合扰动的界进行估计。通过lyapunov稳定性分析证明闭环系统所有信号都满足SGUUB，同时避免了Zeno现象。　　第三，由于海上工况复杂，在路径跟踪过程中需要考虑对于移动障碍物的避碰，在前一部分的基础上，考虑设计一种具有路径跟踪与避碰模式的事件触发误差约束切换制导率(Event-triggered error-constrained switching LOS, ETECSLOS)。在路径跟踪模式下，构造了AMBLF来约束跟踪误差，使得船舶位置误差保持在误差范围内。在避碰模式下，通过设计避碰制导率来达到对障碍物的避碰，该算法设计结构简单，可以同时满足对静态和移动障碍物的避碰。同时，在这两个模式下的制导率都加入了相对阈值事件触发机制，来降低制导航向角的更新频率。在控制系统设计中，同样采用了AMBLF和相对阈值事件触发机制，使船舶能够跟踪制导航向角，满足航向误差约束，同时减少执行器的物理损耗。同时，采用自适应辅助系统补偿输入饱和，采用自适应率对神经网络逼近误差和复合扰动的界进行估计。通过Lyapunov稳定性分析证明所有信号满足SGUUB，避免了Zeno现象。　　最后，选择一艘76.2m的船舶进行仿真对比实验。实验结果表明，本文设计的输入输出受限全驱动船舶路径跟踪自适应动态面控制方法，在存在输入受限，输出受限，未知干扰，模型不确定的情况下，依旧能以一定准确度跟踪期望路径并且可以对移动障碍进行避碰，加入的相对阈值事件触发机制可以减少控制器的计算压力与执行器的物理损耗。
作者：	李昂
专业：	控制科学与工程
导师：	沈智鹏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022