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非周期采样条件下无人船轨迹跟踪及编队滑模控制研究
| 论文题名： | 非周期采样条件下无人船轨迹跟踪及编队滑模控制研究 |
| 关键词： | 无人船;轨迹跟踪;事件触发;预设性能;屏障函数;滑模控制 |
| 摘要： | 无人船的应用日益广泛，随着通讯技术的发展，网络控制与无人船控制技术结合，克服了传统集中式无人船控制安装不便、维护困难等缺点。在保证系统性能的同时设法降低通讯网络传输负担，防止信号阻塞、丢包等情况发生，是网络控制系统的重要研究课题。量化和事件触发等非周期采样机制，是减小通讯资源消耗，降低信号传输频率的有效手段。本文以三自由度全驱动水面无人船（AutonomousSurfaceVessel，ASV）为研究对象，基于滑模控制、自适应控制等理论，考虑时变扰动、模型参数不确定性、轨迹跟踪误差受约束、执行器故障等情况，将事件触发控制和量化控制应用到无人船轨迹跟踪以及编队控制问题中。主要研究内容如下： （1）针对通信容量有限且速度未知的ASV轨迹跟踪问题，由两个不同的事件触发策略生成系统输出和控制输入的采样。传感器中包含一个事件触发机制，以决定何时将位置信息从传感器传输到基于超螺旋算法（Super-twistingAlgorithm，STA）观测器。利用事件触发的位置信息采样作为输入来观测未知的速度。提出一种滑模控制律，并引入一种输入事件触发机制来决定控制信号何时通过网络传输到执行器。使用李雅普诺夫函数方法分析整个闭环系统的稳定性。证明所提出的输出和输入事件触发策略不存在芝诺行为。最后通过仿真验证了所提出的基于STA观测器和事件触发的ASV轨迹跟踪控制方案的有效性。 （2）针对跟踪误差存在约束的ASV轨迹跟踪问题，使用预设性能算法对轨迹跟踪误差进行转换来保证系统的瞬态性能。在带有模型不确定性和外部未知上界的干扰的情况下，提出一种基于屏障函数的自适应滑模ASV轨迹跟踪控制方法。设计一个根据滑模幅值进行切换的自适应律，使滑模增益自适应地调节。在考虑精确跟踪的基础上，增加均匀量化机制进行非周期采样，减少对通讯带宽的占用。分析了整个闭环系统的稳定性。最后通过仿真验证了所提算法的可行性和优越性。 （3）针对带有预设性能的ASV领航-跟随编队控制问题，考虑编队系统存在未知上界的干扰及模型不确定性，且发生未知执行器故障的情况。提出屏障函数自适应滑模容错编队控制策略。利用虚拟轨迹的概念将编队系统分为跟踪子系统与编队子系统，分别设计领导者和跟随者的控制律，利用量化机制进行非周期采样，减少对通讯带宽的占用，实现了精准的编队跟踪控制。最后分析了闭环系统的稳定性，通过MATLAB仿真证明所设计编队策略的有效性。 |
| 作者： | 王睿 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 阎妍 |
| 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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