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结合非线性观测器的船舶路径跟踪滑模控制
| 论文题名： | 结合非线性观测器的船舶路径跟踪滑模控制 |
| 关键词： | 船舶路径跟踪;滑模控制;非线性观测器;扩张状态观测器;遗传算法 |
| 摘要： | 在欠驱动船舶路径跟踪控制过程中，存在外界干扰和内部不确定等问题，为了解决这些问题，本文提出了一种结合非线性观测器的滑模控制算法。文章中采用了间接控制方法，在制导环中，通过设计虚拟艏向角的方法将三自由度的路径跟踪控制转化为一自由度的艏向控制，使复杂的路径跟踪问题简化。在控制环中，使用滑模控制的方法来进行艏向控制。通过引入扩张状态观测器ESO对未知干扰项与转艏角速度进行观测，并对基于不同函数设计的ESO进行对比。通过引入速度观测器，用以解决船舶运动过程中速度不可测的问题，但是简单的线性观测器精度不够，通过使用双曲正切函数设计非线性观测器以提高精度，并对速度未知项进行观测，最后引入遗传算法对扩张状态观测器进行在线调参。 本文研究内容中的创新点有如下两个方面： （1）结合了非线性速度观测器与非线性ESO进行滑模控制器的设计，基于双曲正切函数设计非线性速度观测器，使观测器能够在误差小的时候有较大增益，误差大的时候有较小的增益，提高了观测器的精度与系统的控制效果。 （2）考虑到扩张状态观测器的参数难以调节，且其参数很大程度上影响了观测器的精度，所以在扩张状态观测器中引入遗传算法，利用预测接下来的艏向角估计误差的方法进行调参与优化，使观测器的性能得到了提升。 最后通过分析与仿真实验表明，在船舶的速度状态与风浪流外界扰动未知的情况下，文中所设计控制器仍能保证船舶精准地跟踪上预期路径，观测器的性能得到了提升，通过所设计的仿真实验的结果验证了本文提出的控制方法以及所设计的观测器与所提算法的有效性。 |
| 作者： | 范艺 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 卜仁祥 |
| 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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