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原文传递基于ESO-LOS的输入受限欠驱动船舶路径跟踪动态面控制

论文题名：	基于ESO-LOS的输入受限欠驱动船舶路径跟踪动态面控制
关键词：	欠驱动船舶;路径跟踪;动态面控制;反步法;ESO-LOS制导律;输入受限
摘要：	随着船舶与海洋工程飞速发展，探索研究新的船舶运动控制方法已经已经吸引了众多研究学者的关注。性能优良的运动控制技术能够在实际工况下增加船舶航行安全系数，有着极强的应用价值。本文研究了输入受限、存在未知时变漂角、存在未知外界干扰、预设性能要求以及船舶速度不可测等约束条件下的欠驱动船舶运动控制器设计问题。针对上述场景，本文主要利用反步法（Backstepping）、基于扩张状态观测器的视线法制导（Extendedstateobserver-basedLine-of-sight，ESO-LOS）、辅助动力学系统、预设性能控制技术、动态面控制技术（Dynamicsurfacecontrol，DSC）、自适应控制技术等控制方法，开展如下欠驱动船舶路径跟踪控制问题研究：　　第一部分考虑了输入受限、存在未知时变漂角以及未知外界干扰的情况，设计了一种基于ESO-LOS的输入受限欠驱动船舶路径跟踪自适应动态面控制方法。该控制方法基于LOS制导提供了新的期望艏向角，通过引入扩张状态观测器（Extendedstateobserver，ESO）在制导部分消除未知时变漂角带来的影响。采用反步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。通过构造输入受限辅助函数补偿输入受限对系统的影响，设计自适应律对未知外界扰动上界进行逼近。将以上算法进行整合最终完成船舶运动控制器的设计。　　第二部分在第一部分基础之上考虑了预设性能的要求，设计了一种具有预设性能的输入受限欠驱动船舶路径跟踪动态面控制方法。从实用的角度出发，只考虑稳态性能的要求已经难以满足需求，因此在控制器设计中需要同时考虑暂态和稳态控制性能。本部分的控制方法通过引入预设性能函数对船舶运动误差进行转换，将受不等式约束的受限系统转化为等效的、便于控制器设计的非不等式约束的受限系统。经预设性能函数转换之后的误差则代入第一部分的控制算法中完成船舶运动控制器的设计。　　第三部分在第一部分基础之上考虑到船舶速度不可测的情况，设计了一种基于非线性观测器的输入受限欠驱动船舶路径跟踪输出反馈动态面控制方法。路径跟踪控制器的设计中，船舶的速度信息是必要参数，而在实际工程中，船舶的速度受到诸多因素的影响往往难以测量。本章所设计的非线性观测器能够对欠驱动船舶的速度信息进行估测，控制器设计中需要的速度信息由非线性观测器的估测值代替，有效解决船舶速度不可测的问题。最后结合第一部分的控制算法完成船舶运动控制器的设计。　　最后的仿真部分采用了一艘名为“BAYCLASS”的单桨单舵巡逻船作为被控对象，根据不同的章节分别采用正弦曲线、“直线+半圆”式曲线以及不规则曲线作为期望路径完成欠驱动船舶路径跟踪控制仿真研究。通过仿真可以验证本文中针对于不同的情况所设计的控制器均可让船舶完成高精度的路径跟踪。
作者：	李立
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