欠驱动船舶航迹跟踪控制技术研究

论文摘要

欠驱动水面船舶是指一类横向上没有安装独立的推进装置,系统控制输入量个数少于系统自由度维数的船舶。由于欠驱动水面船舶结构上的特殊性,采用常规的控制方法实现跟踪或定位控制的效果并不理想,所以探索新的控制方法成为了研究热点。考虑到航迹跟踪控制具有改善航行经济性、增加航行安全性以及降低系统安装费用等优点,本文主要针对欠驱动水面船舶的航迹跟踪控制问题进行研究。首先,在合理的假设条件下,建立了欠驱动船舶水平面三自由度数学模型,并通过建立的数学模型研究欠驱动水面船舶的控制特性,进行船模仿真实验等一系列工作,目的是为后续控制器的设计做以铺垫。其次,研究轨迹跟踪控制方法。为了明确控制目标,需要建立跟踪过程的数学模型,考虑到跟踪模型自身的特点,采用反步法的设计思想并结合Lyapunov直接法设计了一种全状态反馈跟踪控制器,并采用C语言编写跟踪控制过程的仿真程序,在不同的条件下对控制器进行仿真验证。为了实现对比研究,本文又基于欠驱动水面船舶本身具有的无源性设计轨迹跟踪控制器,在相同的仿真条件下,分别对两种控制律进行仿真对比研究。再次,考虑到跟踪数学模型具有的级联特性,将级联系统理论应用于欠驱动水面船舶的跟踪控制器当中,把跟踪数学模型划分成为两个子系统,然后分别针对两个子系统设计镇定控制律从而得到实际控制输入量表达式。同样地,在相同的初始条件下,采用三种控制器进行仿真对比研究。最后,通过大量的仿真实验得出结论：由于受到角速度持续激励条件的限制,基于无源性以及级联理论设计的控制器只能够实现圆弧形参考轨迹的跟踪控制,虽然最终也能够实现控制目标,但是状态跟踪误差收敛速度较慢,控制性能有待进一步地提高。相比较而言,反步法设计的控制器消除了角速度持续激励条件的限制,参考轨迹线既可以为直线也可以为圆弧形轨迹,当存在一定范围内的环境干扰因素时,依然能够实现跟踪控制,控制器具有一定的鲁棒性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的与意义
• 1.3 欠驱动水面船舶航迹跟踪控制的研究现状
• 1.3.1 轨迹跟踪控制研究情况
• 1.3.2 路径跟踪控制研究情况
• 1.4 非完整系统与欠驱动机械系统的基本概念
• 1.4.1 非完整系统概述
• 1.4.2 欠驱动机械系统概述
• 1.5 本论文的主要内容及章节安排
• 第2章 欠驱动水面船舶的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系的建立
• 2.2.1 大地坐标系
• 2.2.2 随船坐标系
• 2.3 船舶数学模型
• 2.3.1 运动学模型
• 2.3.2 动力学模型
• 2.4 欠驱动水面船舶的数学模型
• 2.5 船舶模型的仿真验证
• 2.5.1 匀速直航仿真实验
• 2.5.2 定常回转仿真实验
• 2.6 模型控制特性分析
• 2.6.1 加速度约束性限制分析
• 2.6.2 航迹跟踪的可控性分析
• 2.6.3 系统平衡点及无源性分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于Backstepping的轨迹跟踪控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 轨迹跟踪数学描述
• 3.3 Lyapunov稳定性理论
• 3.3.1 Lyapunov稳定性定义
• 3.3.2 Lyapunov直接法
• 3.4 Backstepping设计原理
• 3.4.1 Backstepping概述
• 3.4.2 Backstepping设计原理
• 3.5 反步控制器设计
• 3.6 仿真实验
• 3.6.1 控制系统原理及实现
• 3.6.2 无环境干扰条件下的仿真结果
• 3.6.3 加入有界时变环境干扰的仿真结果
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于无源性的轨迹跟踪控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 无源性理论概述
• 4.2.1 无源性概念
• 4.2.2 无源性与系统稳定性
• 4.3 问题的提出
• 4.4 无源控制器设计
• 4.5 仿真初始条件及控制器参数选择
• 4.6 仿真实验
• 4.7 本章小结
• 第5章 轨迹跟踪级联控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 级联系统理论概述
• 5.3 级联控制器设计
• 5.4 仿真初始条件及控制器参数选择
• 5.5 仿真实验
• 5.6 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