欠驱动水面船舶非线性反馈控制研究

论文摘要

为解决常规水面船舶的欠驱动和非完整运动特性、模型和干扰不确定性以及控制输入约束条件等控制问题,本文进行了欠驱动水面船舶非线性反馈控制的研究,主要工作和成果包括:从传统线性反馈控制出发,提出了滑动模态的递归分解迭代设计思路,将系统的控制问题转化为一系列嵌套零阶系统的镇定问题,在此基础上结合增量反馈控制,提出了一种非线性反馈控制设计方法,从根源上避免了滑模设计和结构切换引起的抖振以及传统反馈的积分超调、稳态误差问题;将控制设计方法从单变量系统推广到欠驱动系统和非完整系统,针对单极倒立摆系统、高维标准链式非完整系统和典型的非完整系统实例(NHI与WMR)进行了反馈镇定控制设计和仿真验证;针对WMR、水面船舶以及类似系统的平面运动特点,提出一种全新的虚拟向导控制方法,将非完整系统的镇定控制问题转化为完整子系统的镇定问题,并为解决一般性非完整系统的控制问题提供了新的设计思路;针对欠驱动水面船舶的航迹控制和镇定控制这两个国际热点和难点问题,充分考虑了未知风流干扰引起的横向漂移问题、操纵运动的非线性、模型不确定性以及主机和舵机工作特性,分别进行了直线、曲线路径跟踪和曲线轨迹跟踪控制设计,利用虚拟向导控制方法和基于轨迹跟踪方法分别进行了镇定控制设计,并针对欠驱动船舶横向运动和流致漂移的特性,进行了典型局面下欠驱动船舶自动靠泊控制设计,利用Matlab的Simulink环境设计了高精度及真实性的3自由度船舶操纵运动模拟程序,针对大连海事大学实习船“育龙”轮的运动模型进行了可信度和真实性较高的欠驱动船舶运动控制仿真验证。理论分析和控制仿真实例表明,本文提出的控制设计方法在解决处理欠驱动船舶的运动控制问题和系统非完整约束方面具有有效性和构造性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 研究对象
• 1.1.2 欠驱动船舶运动控制特性
• 1.1.3 研究目的及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 非线性控制方法的发展
• 1.2.2 非完整控制系统的发展
• 1.2.3 欠驱动船舶控制方法
• 1.3 论文主要工作与内容
• 第2章 欠驱动船舶运动模型及控制特性
• 2.1 船舶运动方程
• 2.1.1 坐标系与运动参数
• 2.1.2 船舶操纵运动方程
• 2.2 船舶动力模型
• 2.2.1 船体流力的计算
• 2.2.2 主机特性及螺旋桨力的计算
• 2.2.3 舵机特性及舵力的计算
• 2.2.4 外界干扰力的计算
• 2.3 欠驱动船舶运动控制特性
• 2.3.1 欠驱动及非完整特性
• 2.3.2 外界干扰下的平衡点特性
• 2.3.3 其他限制条件
• 2.4 船舶运动控制仿真系统的建立
• 2.4.1 系统框架
• 2.4.2 计算模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于迭代滑模的非线性反馈控制
• 3.1 传统反馈控制的滑模特性
• 3.1.1 线性反馈控制的基本形式
• 3.1.2 线性反馈控制的滑模特性
• 3.1.3 滑模递归迭代设计
• 3.2 非线性迭代滑模与增量反馈
• 3.2.1 非线性滑模递归迭代设计
• 3.2.2 抖振抑制
• 3.2.3 增量反馈
• 3.2.4 船舶航向非线性反馈控制
• 3.3 多变量系统的非线性反馈
• 3.3.1 全驱动系统的滑模迭代设计
• 3.3.2 欠驱动系统的滑模设计问题
• 3.3.3 单极倒立摆系统非线性反馈控制
• 3.4 本章小结
• 第4章 非完整系统的反馈控制设计
• 4.1 链式系统的时变反馈控制
• 4.1.1 链式系统控制特点
• 4.1.2 时变反馈控制设计
• 4.1.3 仿真结果与分析
• 4.2 非完整积分器的光滑反馈镇定
• 4.2.1 时变分段光滑反馈镇定
• 4.2.2 动态光滑反馈镇定
• 4.3 基于标准型的两轮机器人镇定控制
• 4.3.1 系统模型与转换
• 4.3.2 仿真结果与分析
• 4.4 基于虚拟向导的最优路径控制
• 4.4.1 虚拟向导的概念
• 4.4.2 机器人运动控制设计
• 4.4.3 机器人动力控制设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 欠驱动船舶航迹跟踪控制设计
• 5.1 欠驱动船舶航迹跟踪控制概述
• 5.1.1 船舶航迹跟踪控制的分类与特点
• 5.1.2 船舶航迹跟踪控制研究现状
• 5.2 欠驱动船舶直线航迹跟踪控制
• 5.2.1 直线航迹跟踪控制特性
• 5.2.2 基于动态非线性滑模的反馈控制
• 5.2.3 仿真结果与分析
• 5.3 欠驱动船舶曲线路径与轨迹跟踪控制
• 5.3.1 欠驱动船舶曲线路径跟踪
• 5.3.2 欠驱动船舶的曲线轨迹跟踪
• 5.4 本章小结
• 第6章 欠驱动船舶反馈镇定控制设计
• 6.1 欠驱动船舶镇定控制概述
• 6.1.1 欠驱动船舶镇定控制特性
• 6.1.2 研究现状
• 6.2 欠驱动船舶定位控制
• 6.2.1 基于虚拟向导的镇定控制设计
• 6.2.2 基于轨迹跟踪的定位控制
• 6.3 欠驱动船舶靠泊控制
• 6.3.1 靠泊控制设计
• 6.3.2 靠泊控制实例
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历