船舶航向反步自适应控制方法研究

论文摘要

本文通过对反步法的学习和研究,设计了一种基于反步法的船舶航向自适应控制器,并在船舶模型参数出现摄动和海浪干扰的情况下进行了仿真研究。船舶航向控制器是船舶操纵运动控制领域重要的研究课题,国内外的许多科研人员一直为改善船舶操纵性能而不懈的努力。目前多数船舶航向控制器的设计仍采用了野本线性模型,然而,由于船舶航行中船舶的航速、装载状态、外界干扰等会时常发生变化,进而产生严重的水动力非线性问题,使得基于线性模型设计的控制器控制效果变差。针对这一问题,本文把反步自适应设计方法应用到船舶航向运动控制中,通过实验结果分析可知,所设计的船舶航向控制器较好的解决了这个问题。本文首先对自动舵的发展历史、国内外相关领域的研究现状进行了回顾和总结。介绍了船舶航向操纵运动数学模型以及外界干扰数学模型。详细阐述了自动舵的控制原理。介绍了反步法的基本原理与近几年的发展状况,详细推导了用反步法设计控制器的过程,并用李雅普诺夫稳定性理论进行了论证。以船舶航向控制为研究对象,用反步法设计了船舶航向控制器,为了便于学习和研究,首先设计了一种船舶模型参数已知的航向控制器,在取得满意的仿真结果基础上再对含有外界干扰和不确定参数的船舶模型设计自适应航向控制器。在设计过程中加入了积分器,以消除外界恒值干扰引起的静态误差。滑模控制在处理不确定性系统中表现出明显的优越性,本文用反步法和滑模控制相结合的方法,以加入了舵机性能的船舶航向Norrbin阶非线性模型为研究对象,设计了一种反步滑模航向控制器,通过仿真验证可知,此方法比单纯的经典反步法在减小调节时间的同时对系统含有的不确定性具有更强的鲁棒性,这说明用反步滑模控制法处理含有非匹配不确定性的非线性系统是有效的。对设计的船舶航向控制器在Matlab的Simulink工具箱下进行了仿真验证,仿真结果表明,所设计的反步自适应航向控制器能够很好的跟踪航向的变化,控制舵角变化合理,没有出现频繁打舵情况,特别是当船舶模型参数出现大的摄动时,在控制器参数不变的情况下依然能取得了很好的仿真效果,说明了用此方法设计的船舶航向自适应控制器具有很强的鲁棒性,进而表明用反步法处理系统的非线性和不确定性问题是一次成功的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外航向控制系统的发展及现状
• 1.3 反步自适应控制发展现状
• 1.4 论文的主要内容
• 第2章 船舶运动数学模型
• 2.1 船舶运动分析中的坐标系
• 2.1.1 地面坐标系（静坐标系）
• 2.1.2 船体坐标系（动坐标系）
• 2.1.3 坐标系的变换
• 2.2 船舶航向控制中的数学模型
• 2.2.1 船舶操纵运动的线性化模型
• 2.2.2 船舶操纵运动非线性模型
• 2.3 舵机数学模型
• 2.4 环境扰动建模
• 2.4.1 海风
• 2.4.2 海流
• 2.4.3 海浪
• 2.5 本章小结
• 第3章 船舶自动舵控制原理
• 3.1 自动舵控制原理
• 3.1.1 船舶操纵装置
• 3.1.2 随动舵工作原理
• 3.1.3 自动舵工作原理
• 3.1.4 航迹控制自动舵工作原理
• 3.2 船舶航向控制中的性能指标
• 3.2.1 航向保持过程的性能指标
• 3.2.2 航向改变过程的性能指标
• 3.3 经典PID自动舵控制原理
• 3.3.1 PID自动舵设计
• 3.3.2 PID控制参数优化
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于反步法的船舶航向控制器设计
• 4.1 李雅普诺夫稳定性理论
• 4.1.1 李雅普诺夫函数
• 4.1.2 李雅普诺夫稳定性定理
• 4.2 船舶航向反步控制器研究
• 4.2.1 反步法设计原理
• 4.2.2 船舶航向反步控制器设计
• 4.2.3 控制器参数整定
• 4.2.4 标称系统的实例仿真
• 4.2.5 参考滤波器
• 4.2.6 仿真结果分析
• 4.3 加入积分器的反步自适应控制器研究
• 4.3.1 反步自适应镇定控制器设计原理
• 4.3.2 加入积分器的航向反步自适应控制器设计
• 4.3.3 控制器参数整定
• 4.3.4 自适应系统的实例仿真
• 4.3.5 仿真效果分析
• 4.4 参数摄动和海浪干扰下的仿真
• 4.4.1 参数摄动下的仿真
• 4.4.2 海浪干扰下的仿真
• 4.4.3 恒值干扰下的仿真
• 4.4.4 参数摄动和海浪干扰共同存在下的仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 船舶航向反步滑模控制器设计
• 5.1 反步滑模控制器设计
• 5.1.1 含有舵机特性的船舶航向数学模型
• 5.1.2 船舶航向反步自适应滑模控制器设计
• 5.1.3 实例仿真
• 5.1.4 仿真结果分析
• 5.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢