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不确定系统的鲁棒控制及其在船舶运动控制中的应用

杨盐生  
【摘要】: 本文对不确定系统的鲁棒控制及其在船舶运动控制中的应用问题进行了系统的研究。依据多年的船舶运动控制研究经验,本文作者认为该领域一直存在着三个尚未解决的问题:一是用于控制器设计的模型存在不确定性问题;二是船舶运动的非线性问题;三是执行机构问题。经大量研究发现不确定系统的鲁棒控制理论可能解决这些问题。因此,本文首先在鲁棒控制基础理论方面进行了全面、系统的研究,包括匹配不确定线性系统的鲁棒控制、不匹配不确定线性系统的鲁棒控制及不确定非线性系统的鲁棒控制,并将上述理论方法应用于船舶运动控制的航向自动舵设计和减摇鳍控制系统设计中。 在匹配不确定线性系统的鲁棒控制方面,本文总结了一些现有的鲁棒控制算法,为船舶运动控制的实际应用奠定了基础。同时还提出利用标称模型的代数Rriccati方程的解构造滑动模态超平面的方法,进而给出了两种变结构鲁棒控制算法。该算法可以避免对系统进行正交变换,减少了设计过程中的复杂性。另外,针对现有的不确定系统鲁棒控制算法在状态空间中某个超平面上具有控制输出不连续的缺陷,提出了两个连续型鲁棒控制算法。 在不匹配不确定线性系统的鲁棒控制方面,本文将系统的不确定项的界归纳为四种形式,对每种有界形式分别研究了基于代数Riccati型方程的鲁棒控制设计方法和H"。鲁棒控制设计方法。本文的突出工作是提出了针对不匹配不确定线性系统的三种变结构鲁棒控制设计方法,为研究船舶运动控制领域中执行机构的影响打下了基础。 在不确定非线性系统的鲁棒控制方面,本文首先针对一类具有相对阶等于系统阶的系统,在鲁棒反馈线性化的基础上,采用极点配置法推导出三种状态反馈鲁棒控制算法,同时还提出了三种变结构鲁棒控制算法。其次考虑到不确定非线性系统中不确定项可能是结构未知的非线性函数,提出用模糊系统逼近不确定项函数的方案,进而采用极点配置法设计自适应鲁棒模糊控制算法。该算法的优点:一是降低了对被控制系统的了解程度;二是无论模糊系统取多少条规则,在线估算参数可归结为一个,减小了算法的计算量。 最后针对研究具有执行机构的不确超憋性系统的需要,对一类推广匹配不 确定非线性系统,提出了一个变结构鲁棒自适应控制算法。 为便于船舶运动控制系统的性能检验,本文开发了一个高精度的船舶 运动数学模型,该模型特别考虑了各种环境下(风、流兑浪、浅水等)作用在 船舶上的外界干扰力和力矩。在此基础上,利用 Matlab的 Simulink具箱 建立了仿真平台,为船舶运动酗系统的性能检验提供了良好的环境。 针对船舶航行中船速、载况、外界于扰等时常变化,常规Pto 自动舵 鲁棒性差、控制性能不理想的实际情况,本文将上述鲁棒控制理论应用于航 向自动舵的设计中,提出了鲁棒Pto和鲁棒自适应Pto控制算法。同时考 虑到船舶航向控制系统中不仅存在不确定性,还存在非线性,提出了一个具 有积分功能的鲁棒控制算法和一个自适应鲁棒控制算法。 船舶横摇运动对航行安全和船员的正常操作与生活具有一定的危害 性,减摇鳍控制一直是船舶运动控制领域的重要研究课题。本文将上述理论 应用于减摇鳍控制系统设计中,分别提出了变结构鲁棒控制算法、变结构自 适应鲁棒控制算法和鲁棒自适应模糊控制算法。并系统地研究了执行机构对 控制系统性能的影响,发现以往不考虑执行机构影响而设计的控制算法难以 保证系统的稳定性。因此本文结合执行机构动态特性所构成不匹配不确定系 统,提出了一个变结构鲁棒控制算法。该算法不受执行机构时间常数的影响, 可以完全确保系统稳定。


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