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原文传递欠驱动船舶运动的非线性鲁棒控制研究

论文题名：	欠驱动船舶运动的非线性鲁棒控制研究
关键词：	欠驱动船舶运动;反步法;神经网络;非线性鲁棒控制;模型参数
摘要：	欠驱动船舶运动模型是一个具有多输入、多输出、强耦合、非完整性的非线性系统。由于受到来自外界海洋环境的时变干扰,釆用常规单一的非线性控制方法设计的欠驱动船舶控制器难以兼顾强鲁棒性、自适应性和较高的运动控制精度等特点。因此,如何利用非线性控制理论来解决上述问题也就自然地成为研究的热点问题。随着欠驱动船舶研究的进一步深入和海洋经济战略的发展需要,多船舶编队控制应运而生。编队控制在海洋资源探测、舰队协同作战、远洋补给、搜捕营救、编队巡逻、环境监测等方面具有较宽的应用前景和空间。为此,本论文以欠驱动船舶为研究对象,主要进行了以下几方面研究工作: 　　首先,建立了船舶三自由度运动数学模型,为研究闭环系统特性提供一个基本的仿真平台,并可通过仿真研究进一步评估控制系统的控制性能。同时,介绍了在本论文中涉及到的基本知识,包括稳定性理论、反步法、滑模控制理论和神经网络技术等,为后续章节的研究打下基础。　　其次,采用常规反步法设计欠驱动船舶的轨迹跟踪控制器时,由于涉及对虚拟控制输入信号反复求导的过程,所以存在计算量过大的缺点。针对这个问题,并为实现欠驱动船舶在模型参数不确定和外界风浪流干扰情况下水平面的轨迹跟踪控制,本文提出了一种指令滤波滑模鲁棒控制方法。首先利用指令滤波法建立轨迹跟踪误差方程,通过引入变换方程将轨迹控制问题转化为镇定纵向速度和转向角误差,并进一步设计船舶转向角速度虚拟控制律镇定转向角误差;然后采用积分方法设计基于上下界的滑模控制器,克服了常规反步法对虚拟控制律求导复杂的问题,减小了稳态误差与超调问题。仿真实验表明,设计的控制器能使欠驱动船舶同时实现水平面直线和曲线的有效轨迹跟踪。　　接着,为实现欠驱动船舶在存在风浪流外界干扰和参数摄动条件下的路径跟踪控制,设计一种基于可视距离的神经滑模路径跟踪鲁棒控制器。利用可视距离思想,根据期望路径与当前位置信息,分别设计船舶纵向速度和转向角的参考值,并视为镇定位置误差的虚拟控制律,将路径跟踪问题转化为纵向速度和转向角的镇定问题;利用神经网络和滑模方法相结合设计一种新的神经滑模鲁棒控制器,实现了对虚拟控制律的跟踪控制,无需确定参数摄动和外界干扰的上界,避免了控制器易出现饱和问题和抖振现象。仿真实验表明,设计的控制器对欠驱动船舶的模型摄动和外界干扰变化不敏感,可以实现路径的理想跟踪。　　最后,针对模型参数不确定和外界风浪流干扰情况下的欠驱动船舶编队控制问题展开了进一步的研究。首先,对于领导-跟随船舶编队模型,考虑跟随船仅能利用领航船的位置及转向角信息,不能利用其速度及角速度信息这一特点,采用虚拟领航者策略,根据领航船的位置及转向角信息和船舶队形信息来设计虚拟船,使其轨迹与参考船在有限时间内重合,进而获得跟随船的期望轨迹和速度;然后,基于虚拟船策略建立领导-跟随模式下的船舶编队控制模型;最后,考虑存在的外界环境干扰和模型参数的不确定性,将反步法、神经网络技术和滑模控制方法相结合,设计一种欠驱动船舶编队神经滑模鲁棒控制器,同时给出了船舶编队控制仿真实验结果。　　本论文的研究成果具有一定的学术价值和广泛的工程应用前景,部分成果亦可应用于水下潜器、非完整移动机器人等其它具有欠驱动特性的系统中,具有较好的普适性。
作者：	王岩
专业：	模式识别与智能系统
导师：	孟浩
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文