欠驱动水面船舶的全局镇定控制方法研究

【摘要】：近二十年来，如何用较少的控制输入实现受控对象多自由度的复杂运动是控制界的学者们致力于研究和解决的热点问题，这类系统广义上可称之为欠驱动系统。目前海上航行的大多数水面舰艇均未配备侧向推进装置，仅仅依靠纵向推进力装置（螺旋桨或喷水推进器）和转向装置实现舰艇水平面内三自由度的复杂运动，属于典型的欠驱动控制问题。本文以欠驱动水面船舶为研究对象，进行了以下研究工作： （1）本文为实现欠驱动水面船舶的点镇定控制，提出了一种基于时不变状态反馈的切换控制方法。首先利用全局微分同胚变换将船舶的位置变量变换到一种新的随动坐标系中，实现多变量耦合状态的初步解耦，并对系统之间的相互影响进行了稳定性分析，分析结果使得在控制器设计中只考虑低阶本质非线性子系统的状态收敛性即可，由此简化了控制器的设计，最后利用反步法设计了以艏摇状态作为切换条件的点镇定控制律，实现了欠驱动水面船舶系统的全局渐近稳定，并可使部分状态以指数速率收敛于系统的平衡点，从而最终以时不变切换控制的方式实现了其全局渐近镇定。 （2）为克服时不变切换控制本身带有的非连续性缺陷，实现欠驱动水面船舶的光滑连续控制，并提高状态的收敛速率，提出了一种基于时变状态反馈的解耦控制方法。首先采用全局微分同胚变换实现控制器设计的初步简化，然后通过引入一种时变状态变换，进一步将本质非线性系统解耦为一个线性子系统和一个线性时变子系统,从而将整个本质非线性强耦合系统的点镇定控制问题转化为两个具有单向耦合影响的线性子系统的点镇定问题。最后通过为每个线性子系统分别设计独立的全局指数镇定控制律，以光滑连续的形式实现了欠驱动水面船舶的全局K指数镇定。 （3）为实现欠驱动水面船舶的全局航迹跟踪控制，提出了一种级联反步分解设计方法。首先推导了欠驱动水面船舶航迹跟踪的误差动态方程，由此将航迹跟踪问题转化为误差动态系统的镇定问题，然后利用级联系统理论将误差动态系统的镇定问题解耦为两个独立子系统的镇定问题。由于每个子系统均带有独立的控制输入，使得可为每个子系统设计全局指数稳定的控制律，最终实现了欠驱动船舶的全局K指数航迹跟踪，并通过数值仿真验证了所提方法的有效性。 （4）为解决欠驱动水面船舶的模型参数辨识不精确下参数摄动及外界环境干扰下的航迹跟踪控制问题，利用基于上下界的滑模控制方法设计了滑模跟踪控制器，克服了欠驱动水面船舶的航迹跟踪控制所面临的可总结为持续激励“persistent excitation(PE)”的技术难题。首先利用反步法将控制器的设计过程分解为运动学回路和动力学回路两个过程分别进行控制器设计。其次，在运动学回路中，为实现船舶位置跟踪误差的收敛，设计了船舶的参考纵向速度和侧移速度；在动力学回中利用滑模控制方法设计实际控制输入实际对参考速度的跟踪控制，从而实现了欠驱动水面船舶的航迹跟踪鲁棒控制问题。仿真结果表明，控制器对于模型参数摄动和外界干扰均具有较好的鲁棒性能。