详情

原文传递船舶航向自适应模糊输出反馈有限时间控制

论文题名：	船舶航向自适应模糊输出反馈有限时间控制
关键词：	船舶航向控制;自适应模糊输出反馈控制;输入饱和;有限时间控制;指定性能;Lyapunov稳定性
摘要：	船舶是重要的海上运输载体，其安全性与经济性受到运动控制的显著影响。因此，船舶的运动控制问题备受关注，是本领域的研究热点之一。船舶航向控制是船舶运动控制的基础，也是极为重要的环节。船舶航向的变化受到多种因素的影响，其内部因素包括船舶类型、尺寸和装载状况等，同时还会受到风、浪和流等外部环境因素的影响。状态测量中存在的噪声、误差和仪器故障等问题，将会影响到船舶状态信息的准确获取，从而给船舶航向控制带来了巨大的挑战。因此，开展船舶航向控制设计研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。　　本文针对船舶航向控制系统，在自适应反步控制理论的框架下，基于 Lyapunov稳定性理论和有限时间稳定性理论，研究了基于观测器的自适应模糊船舶航向输出反馈控制方法，解决了船舶航向控制中存在的跟踪误差收敛时效性、部分状态未知、控制输入饱和及误差约束等问题，提升了船舶航向跟踪效果。本文所取得的主要结果如下：　　1）针对部分状态和系统模型未知的船舶航向控制系统，考虑误差收敛时效问题研究了基于状态观测器的船舶航向自适应模糊输出反馈有限时间控制方法。①采用障碍Lyapunov 函数和反步方法，设计障碍辅助信号，提出了一种船舶航向自适应模糊输出反馈控制算法，该控制算法可以确保船舶航向跟踪误差限制在一定的范围内。②采用障碍 Lyapunov函数，引入有限时间障碍辅助信号，利用航向角跟踪误差信息对航向进行了指数化处理，提出了基于观测器的船舶航向自适应模糊输出反馈有限时间控制算法。基于 Lyapunov理论和有限时间稳定性理论，所提出的控制算法可以确保船舶航向在有限时间内收敛到一个约束界内，且系统内所有信号是半全局实际有限时间稳定。　　2）针对部分状态未知、系统模型未知和跟踪误差收敛时效性问题，考虑到控制输入受限，分别研究了考虑输入饱和的船舶航向自适应模糊控制和有限时间自适应模糊控制方法。①首先，采用模糊逻辑系统在线估计船舶模型中的未知非线性函数，并设计模糊状态观测器估计未知状态；其次，通过引入辅助信号处理输入饱和、解决舵机输出（即控制输入）有界的物理约束问题；最后，提出了一种基于反步方法的船舶航向自适应模糊输出反馈控制算法，该控制算法能够保证闭环系统内所有信号半全局最终一致有界；②在以上研究的基础上，针对船舶航向控制系统收敛慢的问题，提出了一种自适应模糊船舶航向输出反馈有限时间控制算法。基于 Lyapunov稳定性理论和有限时间稳定性理论，设计了有限时间船舶航向控制器，使船舶航向跟踪误差在有限时间内收敛到一定范围，并证明了闭环系统内所有信号有限时间有界。　　3）针对部分状态未知、系统模型未知、跟踪误差收敛时效性和控制输入受限问题，考虑到性能约束，分别研究了基于指定性能的船舶航向自适应模糊输出反馈控制算法和有限时间自适应模糊输出反馈控制算法。①设计模糊状态观测器，采用误差转换技术和反步方法，提出了一种自适应模糊指定性能船舶航向输出反馈控制算法和一种考虑输入饱和的自适应模糊指定性能船舶航向输出反馈控制算法，所提出的控制算法可以确保航向对其期望轨迹的精确跟踪，同时提高了系统的稳态响应和瞬态性能。②基于 Lyapunov稳定性理论和有限时间稳定性理论，采用指定性能技术和辅助信号系统设计具有指定性能、输入饱和和有限时间收敛特性的自适应模糊输出反馈控制器，该控制器可以确保船舶航向跟踪误差在有限时间内收敛到一个指定的性能边界内。　　4）针对上述船舶航向控制算法，以大连海事大学教学实习船育鲲轮为例，开展船舶航向控制仿真研究，进一步验证所提出控制算法的有效性。
作者：	朱丽燕
专业：	交通信息工程及控制
导师：	李铁山
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022