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基于自抗扰的无人水面艇运动控制研究
| 论文题名： | 基于自抗扰的无人水面艇运动控制研究 |
| 关键词： | 无人水面艇;航向控制;路径跟踪;轨迹规划;自抗扰控制 |
| 摘要： | 随着科技的发展，无人水面艇作为一种具有自主航行和决策能力的新型智能平台得到越来越多的重视，并且在资源探索、经济航运、国防安全等问题方面都具有无可比拟的优势，为此，世界各国均在不遗余力的发展其核心控制技术。目前而言，其航行控制主要可以分为航向控制、路径跟踪控制和轨迹跟踪控制。面对复杂的海况条件，如何保持无人水面艇的控制精度是一项严峻的挑战。本文以“蓝信”号无人水面艇为研究对象，针对航向控制、路径跟踪和轨迹跟踪三方面进行了研究，具体工作如下： 首先，针对无人水面艇的航向控制，建立了非线性响应模型，并结合自抗扰控制技术设计了航向控制器。同时考虑到自抗扰控制技术中有较多的参数，并且调节过程繁杂的特性，引入了模糊控制在线调节参数来优化控制器的控制性能。在有干扰和无干扰两种情况下，分别利用Matlab/Simulink工具箱对自抗扰和模糊自抗扰两种航向控制器进行了仿真研究，通过仿真结果可以看出模糊自抗扰航向控制器具有更好的控制效果。同时，使用“蓝信”号无人水面艇在海域内进行了航向控制实船验证实验，通过实验结果验证了上述控制方法的工程实用性。 其次，针对无人水面艇的路径跟踪控制，在上述航向控制的基础上，结合视线法（Line-of-sight,LOS）制导律实现间接路径跟踪控制，并分别设计了自抗扰路径跟踪控制器和模糊自抗扰路径跟踪控制器。同样在有干扰和无干扰的两种情况下，进行了Matlab仿真研究，通过对仿真实验结果的分析，可以得到模糊自抗扰控制方法的控制性能更好的结论。为进一步验证控制方法的工程应用价值，利用“蓝信”号无人水面艇进行了路径跟踪实船实验，实验结果同样表明模糊自抗扰方法的控制效果优于传统自抗扰控制方法，而且也进一步验证了该方法的工程应用价值。 最后，针对无人水面艇的轨迹跟踪控制，应用MMG船舶运动数学模型进行分析研究，将自抗扰控制方法和滑模控制方法相结合设计了滑模自抗扰轨迹跟踪控制器。并对滑模自抗扰控制器进行了三方面的改进和优化：针对滑模的抖振问题，选用连续的幂函数来代替符号函数；考虑到执行器故障的问题，引入了未完全衰减情况下的衰减故障项，并用自抗扰中的扩张状态观测器进行估计和补偿；考虑输入饱和的情况，引入一种新的辅助变量，并通过李雅普诺夫稳定性分析证明系统的稳定性。最终在有干扰和无干扰情况下，利用Matlab仿真对滑模自抗扰和改进的滑模自抗扰方法进行研究，仿真结果表明控制方法的有效性，但是改进的滑模自抗扰控制策略有更好的控制精度。 |
| 作者： | 刘磊 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 范云生 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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