详情

原文传递多约束条件下水面无人艇固定时间精准跟踪控制

论文题名：	多约束条件下水面无人艇固定时间精准跟踪控制
关键词：	水面无人艇;跟踪控制;固定时间控制;扰动观测器;推进器饱和;故障约束
摘要：	水面无人艇（UnmannedSurfaceVehicles，USVs）是开展海洋资源勘测、海事防务等水面作业的重要利器，在军事、民生、科研等领域发挥重要的作用。在不同场景下自主完成精准轨迹跟踪是USV执行水面作业的基础，近年来已成为USV控制技术的研究热点之一。鉴于USV复杂、多变的航行环境，往往存在复杂海洋干扰和系统动态难以获取的情况，使得高精度跟踪控制系统的设计充满挑战。因此，本课题基于固定时间控制算法，着重考虑海洋干扰、系统动态未知、推进器故障/饱和约束、跟踪误差约束、状态测量不确定、速度不可测等问题，利用滑模控制、扰动观测、自适应补偿、指定性能控制等技术手段，研究USV高性能轨迹跟踪控制问题。本文研究工作总结如下：　　首先，考虑USV推进器饱和约束、系统动态未知及海洋干扰等因素，提出一种输入饱和下无模型固定时间精准跟踪控制策略。具体地，构造有限时间集总观测器，精确重构集总未知项，提高系统抗干扰能力与鲁棒性；引入自适应补偿系统，消除推进器饱和约束；进而，设计固定时间非奇异终端滑动模态和基于反正切型函数的快速幂次趋近律，实现固定时间轨迹跟踪控制，确保位姿和速度跟踪误差在固定时间收敛至平衡点。在多种航行状态、工况下的仿真实验和对比分析结果验证了所提出控制策略的有效性与优越性。　　其次，考虑USV推进器故障约束、状态测量不确定、系统动态未知及海洋干扰等因素，提出一种基于双扰动观测器的固定时间容错跟踪控制策略。具体地，分别设计固定时间扰动观测器，逼近状态测量不确定产生的非匹配扰动与匹配集总未知非线性；同时，利用自适应技术实时补偿未知逼近误差；进而，结合固定时间扰动观测器与快速非奇异终端滑模技术，设计固定时间容错控制策略，实现对期望轨迹的高精度跟踪。受益于前馈扰动补偿，所提出控制策略不仅对推进器故障和海洋扰动具有鲁棒性，而且能够处理航行状态测量不确定性。在多种航行状态、工况下的仿真实验和对比分析结果验证了所提出控制策略的有效性与优越性。　　最后，考虑USV推进器故障与饱和约束、速度不可测、系统动态未知及海洋干扰等因素，提出一种基于固定时间扩张状态观测器的输出反馈容错跟踪控制策略。具体地，通过构造固定时间扩张状态观测器，同时实现对未知速度信息、集总未知非线性的准确估计；进而，引入设定时间性能函数，约束位姿跟踪误差，并且利用误差转换函数将其转化为无约束误差动态系统；在此基础上，结合固定时间积分滑动模态与饱和补偿系统设计固定时间轨迹跟踪控制策略，保证系统实际固定时间稳定，且位姿跟踪误差严格位于预先设定的范围内。在多种航行状态、工况下的仿真实验和对比分析结果验证了所提出控制策略的有效性与优越性。
作者：	王仁慧
专业：	控制工程
导师：	王宁
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022