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基于Backstepping的船舶航向非线性控制方法的研究

林永屹  
【摘要】:本文通过对Backstepping设计方法的学习和研究,设计了一种基于Backstepping的船舶航向自适应鲁棒非线性控制器。 近年来,非线性控制系统的研究越来越受到了很多学者的重视。特别是非线性系统几何理论的诞生,为非线性控制理论的发展提供了有利条件。Backstepping是非线性控制的一种强有力的工具,是一种基于Lyapunov稳定性理论的非线性控制方法,此方法是由Kokotovic于1991年首次提出的。在非线性控制领域中,Backstepping设计方法已经引起了广泛的关注。目前,它与自适应控制、鲁棒控制、PID控制、滑模变结构控制、模糊神经网络控制等控制方法的结合已经得到了应用。为了研究的需要本文介绍了一些Lyapunov稳定性的相关知识及Backstepping的设计原理。 众所周知,船舶航向控制系统模型存在严重的非线性。此外,由于装载状态、船速、外界环境干扰等时常发生变化,船舶航向控制系统模型中存在两种明显的不确定性,即模型参数和外界干扰的不确定性。鉴于上述问题,客观上提出了发展鲁棒性更强、适应性更好的船舶操纵控制器的要求,将有效的控制算法应用于船舶运动控制领域显得更为重要。为了便于设计,本文给出了具有不确定性船舶航向控制系统非线性数学模型,介绍了船舶航向控制的基本知识和控制原理。 一个未考虑鲁棒性的非线性自适应控制器,在外部干扰下可能导致整个闭环系统崩溃,从而出现了许多改进的自适应控制方案使系统具有一定的鲁棒性。本文通过运用Backstepping的设计方法,为参数化的严格反馈系统在不确定性存在的情况下,建立了一种自适应鲁棒控制方案。新的设计参数的引进避免了设计过程出现奇异值的现象。积分环节对于某些控制系统能够实现无差控制已为人们所共识,本文在Backstepping设计过程中引入了积分项,设计了一种带有积分器的非线性自适应鲁棒船舶航向控制器。仿真结果证明了所设计控制器的有效性。


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