欠驅(qū)動(dòng)水面船舶航向、航跡非線性魯棒控制研究.pdf

1、隨著世界航運(yùn)業(yè)的發(fā)展和繁榮,海上交通越來(lái)越密集,為了保證航行安全,人們對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)控制提出了更高的要求。在遠(yuǎn)洋航行時(shí),為了減輕舵手的勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短航行距離以及減少燃料的消耗,必須準(zhǔn)確地控制船舶的航向或航跡;此外,一些特殊作業(yè)情況,如海底電纜敷設(shè)與維修等,更需要精確的船舶航跡控制。因此,對(duì)船舶航向、航跡控制進(jìn)行研究在理論上和實(shí)踐上都具有極其重要的意義。
　　 由于船舶運(yùn)動(dòng)具有非線性、大時(shí)滯、大慣性等特點(diǎn),又易受風(fēng)、浪、流等干擾的影

2、響,航行條件(如航速、裝載情況和水深等)的變化和測(cè)量的不精確性等因素都使船舶動(dòng)態(tài)產(chǎn)生明顯的不確定性。因此,船舶航向、航跡等運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)復(fù)雜的非線性、不確定性控制問題。此外,大多數(shù)水面船舶僅裝備螺旋槳主推進(jìn)器和舵裝置,當(dāng)進(jìn)行航跡控制時(shí),需要控制船舶在航向Ψ和船舶位置(x,y)上進(jìn)行3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),此時(shí)的船舶控制系統(tǒng)屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。欠驅(qū)動(dòng)水面船舶系統(tǒng)是一種典型的二階非完整約束動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),針對(duì)非完整系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的一些非線性控制方法,如精確

3、線性化、部分反饋線性化、級(jí)聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析理論、滑?？刂品椒ǖ?難以直接應(yīng)用于船舶的欠驅(qū)動(dòng)控制問題。因此,針對(duì)帶有不確定性和外界干擾的欠驅(qū)動(dòng)船舶的控制問題已不能只用單純的一種控制方法解決,尋求新的控制方案以適應(yīng)實(shí)際航行需要已成為近幾年船舶運(yùn)動(dòng)控制中的研究熱點(diǎn)。
　　 為了解決含有模型不確定性和外界干擾條件下的欠驅(qū)動(dòng)水面船舶運(yùn)動(dòng)控制問題,本文主要完成了以下研究工作:
　　 1、首先介紹了在本論文中涉及到的基本知識(shí),包括穩(wěn)定

4、性理論、滑?？刂评碚摵妥钥箶_控制技術(shù)等,為后續(xù)章節(jié)的研究打下基礎(chǔ)。其次建立了水面船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,包括船舶水平面三自由度運(yùn)動(dòng)模型、響應(yīng)型數(shù)學(xué)模型和海況干擾模型等。建模的目的主要是為研究閉環(huán)系統(tǒng)特性提供一個(gè)基本的仿真平臺(tái),通過仿真研究、評(píng)估控制系統(tǒng)的控制系能。
　　 2、針對(duì)船舶航向控制中的不確定性和惡劣的海況干擾,應(yīng)用三種控制策略設(shè)計(jì)船舶航向控制器:
　　 1)采用算法簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的自抗擾控制技術(shù)設(shè)計(jì)了船舶航向控制

5、器。針對(duì)外界的強(qiáng)干擾以及系統(tǒng)的實(shí)際情況,對(duì)傳統(tǒng)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)進(jìn)行了改造,使之能夠真實(shí)地估計(jì)出未知擾動(dòng)并消除測(cè)量噪聲的影響。針對(duì)自抗擾參數(shù)難以整定的問題,采取遺傳算法進(jìn)行整定,克服了湊試法的不足。仿真結(jié)果證明自抗擾控制技術(shù)能夠很好地解決不確定性和海況干擾問題。
　　 2)綜合自適應(yīng)控制、模糊逼近和滑模控制技術(shù)應(yīng)用到船舶航向控制。通過模糊邏輯系統(tǒng)逼近不確定性函數(shù),解決了模型不確定性問題;通過自適應(yīng)滑模控制解決系統(tǒng)魯棒性問

6、題;針對(duì)滑模控制切換項(xiàng)引起的抖振問題,通過內(nèi)嵌PI控制律代替滑?？刂浦械那袚Q項(xiàng),將切換項(xiàng)連續(xù)化,解決了滑模抖振。此外,為保證控制輸入有界,對(duì)自適應(yīng)算法進(jìn)行了改進(jìn)。仿真結(jié)果證明,自適應(yīng)模糊滑?？刂?AFSMC)具有很強(qiáng)的魯棒性。
　　 3)綜合非線性觀測(cè)器(NDO)、滑模Backstepping控制技術(shù)應(yīng)用到船舶航向控制。利用非線性干擾觀測(cè)器觀測(cè)系統(tǒng)的不確定性和隨機(jī)海浪干擾,在控制中引入等量的補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾完全抑制。應(yīng)用滑模反演

7、法設(shè)計(jì)航向控制器,不僅保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時(shí)很好地克服了系統(tǒng)不確定性問題和外界干擾。
　　 3、針對(duì)船舶航跡控制中的欠驅(qū)動(dòng)性和惡劣的海況干擾,應(yīng)用三種控制策略設(shè)計(jì)船舶航跡控制器:
　　 1)采用自抗擾控制技術(shù)設(shè)計(jì)了船舶直線航跡控制器。針對(duì)直線航跡控制中的欠驅(qū)動(dòng)特性,采用兩個(gè)TD安排過渡過程,控制律采用兩個(gè)被控量的誤差組合方式,突破了原有自抗擾算法只適用SISO系統(tǒng)的限制,解決了欠驅(qū)動(dòng)控制問題。為驗(yàn)證其魯棒性,在同一

8、條件下和相關(guān)文獻(xiàn)介紹的算法做了對(duì)比仿真,證實(shí)了自抗擾控制的強(qiáng)魯棒性特點(diǎn)。
　　 2)基于二自由度船舶模型,采用微分同坯變換和Backstepping技術(shù),選擇系統(tǒng)輸出變量為船舶航向和橫向位移組合的方式,采用狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)了舵控制律,解決了系統(tǒng)的欠驅(qū)動(dòng)性和非線性問題。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。
　　 3)Line-of-sight(LOS)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠把把欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?qū)動(dòng)系統(tǒng),從而不受Brocketts條件的限制。