帶觀測器的船舶動力定位時滯控制研究.pdf

1、隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，對于海洋資源的開發(fā)與利用受到了越來越多人的重視。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，這就要求動力定位船在海面工作時能夠很好的估計外界的狀態(tài)與擾動。時滯現(xiàn)象廣泛存在于動力定位系統(tǒng)中，如推進器的響應(yīng)滯后，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延時等。時滯現(xiàn)象會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對動力定位船的精確定位產(chǎn)生影響。而魯棒H∞控制在處理時滯、不確定擾動等方面有著突出的優(yōu)點，因此本文通過選用合適的觀測器來對動力定位船的狀態(tài)及擾動進行估計。對含有時滯的動力定位系統(tǒng)，將動力定

2、位系統(tǒng)的狀態(tài)及擾動等作為反饋來設(shè)計控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒H∞控制，大大提高了船舶在海面的作業(yè)能力。
　　本文以動力定位船為研究對象，考慮在含有輸入時滯及外界擾動的情況下，設(shè)計合適的控制器與觀測器，對動力定位船的狀態(tài)及擾動進行估計。采用H∞控制理論，在含有時滯與外擾的情況下，構(gòu)造合適的Lyapunov泛函方程，證明得出閉環(huán)系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定。推導(dǎo)得出的LMI來求取控制增益，使動力定位船在面對許多未知擾動的情況下實現(xiàn)定點控制，仿真驗證了理

3、論的正確性。具體從以下方面進行研究:
　　首先，對于水面船建立包含六個自由度的船舶數(shù)學(xué)模型，包括運動學(xué)和動力學(xué)模型。接著給出了海面常見的風(fēng)、浪、流的數(shù)學(xué)模型，利用傳統(tǒng)的PID作為控制指令，在MATLAB仿真環(huán)境下進行仿真實驗，驗證了模型的有效性。
　　其次，將船舶模型轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的魯棒控制模型。通過對擾動觀測器的介紹，將擾動觀測器引入到船舶動力定位系統(tǒng)中。考慮了在含有輸入時滯的情況下，設(shè)計了一種擾動觀測器,將船舶已知的狀態(tài)及觀

4、測到的擾動作為反饋傳遞給控制器。采用H∞控制理論，利用時滯分解的方法，通過構(gòu)造合適的Lyapunov函數(shù)來證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相應(yīng)的LMI通過求解得到控制增益與擾動增益。通過仿真驗證了在含有時滯的情況下船舶精確地定位能力以及擾動觀測器對外界擾動良好的估計。
　　最后，將自抗擾控制的核心——擴張狀態(tài)觀測器引入到含有輸入時滯的船舶動力定位系統(tǒng)中。將船舶模型上常用的三階擴張狀態(tài)觀測器轉(zhuǎn)化為線性ESO的形式，然后推導(dǎo)得出合適的控制器。將

5、線性ESO估計的狀態(tài)傳給控制器，采用魯棒H∞控制理論，同樣利用時滯分解的方法，通過構(gòu)造合適的Lyapunov函數(shù)來證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過LMI求解得出控制增益，仿真驗證了在含有輸入時滯的情況下，船舶良好的定位能力以及線性ESO對船舶位置、速度等精確的估計。
　　經(jīng)過理論推導(dǎo)及仿真驗證，證明了在含有輸入時滯的情況下，魯棒H∞控制能夠很好的克服時滯以及外界擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，線性擴張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)估計與擾動觀測器的擾動估計能力