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欠驱动水面船舶运动的非线性控制研究

孟威  
【摘要】:欠驱动水面船舶是一类具有典型意义的非线性系统,它具有大惯性、强耦合性、带有一定的约束条件、模型参数不确定性和受风、浪和流等外界时变干扰等特性,对其采用常规单一的非线性控制方法难以取得理想的控制效果。因此,针对这些特点,探索新的实用控制方法的研究吸引了国内外许多学者的广泛关注。随着海洋经济的发展,需要完成如海底管道铺设、海洋钻井平台定位、海洋资源探索和远洋补给等复杂任务,对船舶精确控制的要求日益提高;还需要研究多船舶编队控制问题。因此研究欠驱动水面船舶的运动控制问题,具有重要的理论意义和实际价值。本文对于欠驱动水面船舶运动的非线性控制进行了系统的研究,完成了以下研究工作: 1.针对模型参数不确定性和外界环境干扰影响的欠驱动水面船舶镇定控制问题,考虑转船力矩对横向运动的影响,提出一种分阶段鲁棒自适应切换控制算法并仿真验证了其有效性。第一阶段设计流形收敛控制器,把船舶各状态收敛到初始条件流形上;第二阶段基于滑模控制方法设计神经网络稳定自适应控制器,把流形上的船舶状态收敛到期望点。 2.针对欠驱动水面船舶的轨迹跟踪控制问题,从船舶运动学模型出发,引入关于纵向跟踪误差的一阶滑动平面和关于横向跟踪误差的二阶滑动平面,设计欠驱动水面船舶非线性滑模轨迹跟踪控制器,并证明了欠驱动船舶的艏摇角速度是有界输入有界输出的。在此设计框架基础之上,考虑模型参数不确定和外界干扰影响的问题,设计对时变干扰进行自适应补偿的非线性滑模轨迹跟踪控制器并仿真验证了其有效性。 3.针对实际中转船力矩对欠驱动船舶横向运动影响使船舶系统为非最小相位系统的问题,定义输出重定义点,并考虑模型中存在不确定和环境干扰问题,引入一个积分补偿来消除跟踪误差,提出一种全局动态非线性滑模轨迹跟踪控制算法并仿真验证了其有效性。 4.针对存在模型参数不确定和环境干扰的欠驱动水面船舶路径跟踪控制问题,从船舶的动力学角度出发,假设欠驱动船舶的横向速度是无源有界的,引入虚拟船产生参考路径,设计鲁棒自适应路径跟踪控制器,并给出横向速度是无源有界的证明。针对模型中不确定项完全未知的情况,将神经网络控制与全局滑模控制结合,提出一种基于全局滑模控制的欠驱动水面船舶神经网络稳定自适应控制算法并仿真验证了其有效性,保证了系统的全局鲁棒性。 5.在领导者-跟随者编队控制结构下,考虑模型中存在参数不确定和未建模不确定项影响的问题,基于全局滑模和自适应控制技术,在设计中引入控制点解决跟随船航向振荡问题,提出一种全局滑模鲁棒自适应编队控制算法。针对领导者-跟随者编队控制结构中领导船速度未知的情况,基于虚拟船设计理念,提出一种仅依赖船舶位置信息的全局滑模编队控制算法并仿真验证了其有效性。 6.针对欠驱动水面船舶编队控制中存在网络通信延时和丢包问题以及模型参数的不确定问题,引入全局虚拟领导船以保证船舶编队的稳定性,提出一种分层编队控制算法并仿真验证了其有效性。第一层采用反馈线性化方法建立线性化的船舶编队数学模型,第二层设计动态输出反馈保性能控制器。


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