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欠驱动船舶的航迹跟踪控制研究

陈俊  
【摘要】:目前,海上航行的船舶大多数属于欠驱动船舶,对欠驱动船舶运动控制的研究对于降低设备成本,提高海上航行安全性具有重要意义。本文对欠驱动船舶的航迹跟踪控制进行研究,主要内容包括:建立船舶6自由度运动的数学模型,分析船舶运动学和动力学特性,做进一步简化后得到欠驱动船舶的3自由度运动模型,为之后的研究和仿真打下基础。针对路径跟踪控制过程中要求船速保持恒定而无法快速消除横向偏差的问题,将横向偏差和速度控制同时考虑到控制器的设计中,设计了一种基于LOS引导律的时变速度路径跟踪控制器。首先运用状态反馈和反步法分别推导出船舶的加速度,再利用最小二乘法对求得的两个加速度进行估计,在此基础上得到最终的控制律。仿真实验表明所设计的控制器能够使船舶根据横向偏差及其变化率调整速度,更快速地达到预设路径。针对轨迹跟踪中常规的线性反馈控制容易引起船舶推力饱和以及能耗增加的问题,设计了基于CB引导律的非线性反馈控制器,将船舶轨迹跟踪过程中的位置偏差和速度偏差考虑到控制回路中,调节控制器性能。设计了三组不同的控制器,在不同的初始条件下对线性反馈控制器和非线性反馈控制器进行对比,仿真实验验证了非线性反馈控制器的优越性。针对存在外界干扰和模型参数不确定的轨迹跟踪控制问题,引入关于纵向速度偏差的一阶滑模面和关于横向速度偏差的二阶滑模面,设计了轨迹跟踪滑模控制器。为了在不同的控制要求下得到最优的控制参数,设计了离散时间非线性模型预测和滑模级联的控制器,对滑模参数进行实时在线的优化。分别以最小跟踪误差,最小到达时间和最低能耗为目标对控制性能进行评价,仿真实验表明经过实时参数优化后的滑模控制器能达到更好的控制效果。


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