论文摘要
AUV（自主式水下航行器）是一个典型的具有非线性、耦合性和运动模型水动力不确定性的系统。AUV在近水面航行时,复杂的海流、海浪干扰将使其精确航向控制更加困难。本文为提高AUV航向控制的精确性、鲁棒性和稳定性,对非线性系统状态反馈精确线性化方法和非线性鲁棒控制理论,以及它们在AUV航向控制系统中的应用进行了深入的分析和研究。首先,针对基于泰勒级数展开而建立的航向控制系统线性模型会带来系统误差的问题,依据AUV空间六自由度运动模型,建立了AUV航向控制系统非线性模型,以及在海流、海浪干扰环境下包含系统模型参数不确定性的AUV航向控制系统模型。其次,为降低AUV航向控制系统模型的非线性程度,研究基于微分几何理论的状态反馈线性化方法,分析了状态反馈精确线性化的充要条件;考虑系统的不确定性,给出了匹配条件和扩展匹配条件下的微分几何表达形式;为解决具有不确定性的AUV航向控制问题,引入鲁棒线性化的概念。再次,为提高AUV航向控制系统抑制海流、海浪等环境干扰的能力,对非线性鲁棒控制理论在航向控制中的应用进行了分析和研究。基于Hamilton-Jacobi-Issacs（HJI）不等式给出了闭环系统渐近稳定且L2增益有限的状态反馈设计算法:考虑到HJI不等式的求解难度,将所得的结果转化为非线性矩阵不等式（NLMI）求解;进一步得到AUV基于状态反馈线性化的非线性鲁棒航向控制器。最后,针对本文所设计的非线性鲁棒航向控制器,应用到AUV虚拟仿真平台,得到在不同仿真环境下的AUV航向控制曲线。所得仿真结果与标准H∞鲁棒控制器下的仿真结果比较,充分验证了非线性鲁棒航向控制器在一定程度上提高了AUV的动态特性和鲁棒性。
论文目录
摘要Abstract第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义1.2 AUV航向控制技术研究主要理论方法1.2.1 PID控制方法1.2.2 自适应控制方法1.2.3 滑模变结构控制方法1.2.4 鲁棒控制方法1.2.5 智能控制方法1.3 本文的研究主要思路及方法1.3.1 非线性系统状态反馈线性化1.3.2 非线性系统鲁棒控制方法1.4 本文研究的主要内容第2章 AUV航向控制系统建模2.1 引言2.2 AUV航向控制系统模型的组成及工作原理2.3 AUV操纵运动方程2.3.1 坐标系与运动学变量2.3.2 AUV水平面操纵运动方程的建立2.3.3 AUV方向舵数学模型2.4 海洋环境干扰模型2.4.1 海流干扰模型2.4.2 海浪干扰模型2.5 AUV航向控制系统的数学模型2.5.1 AUV航向控制系统理想模型2.5.2 含有不确定性的 AUV航向控制系统模型2.6 本章小节第3章 非线性系统状态反馈线性化3.1 引言3.2 微分几何基本概念和定理3.2.1 欧氏空间中的光滑映射和光滑流形3.2.2 切空间和向量场3.2.3 李导数和李积3.2.4 分布和 Frobenius定理3.3 非线性系统状态反馈精确线性化3.3.1 坐标变换与微分同胚3.3.2 相对阶3.3.3 状态反馈精确线性化的充要条件3.3.4 状态反馈精确线性化的基本方法3.4 系统模型不确定性描述及匹配条件3.5 可线性化的非线性系统族3.6 AUV航向控制系统模型线性化3.7 本章小结第4章 AUV航向控制的非线性鲁棒控制技术4.1 引言4.2 非线性鲁棒控制理论的发展简述4.3 非线性系统鲁棒控制基础4.3.1 无源性与稳定性4.3.2 耗散性原理2增益与HJI不等式'>4.3.3 L2增益与HJI不等式4.4 非线性系统鲁棒控制问题4.5 非线性系统状态反馈鲁棒控制4.5.1 基于HJI不等式的鲁棒干扰抑制4.5.2 基于HJI不等式的状态反馈解4.5.3 非线性矩阵不等式4.6 不确定非线性系统的鲁棒控制4.7 AUV航向控制系统鲁棒控制器设计4.8 本章小结第5章 AUV航向控制及仿真5.1 引言5.2 AUV湖试中航向控制性能分析5.2.1 AUV低速状况下航向控制曲线5.2.2 AUV高速状况下航向控制曲线∞鲁棒航向控制器设计'>5.3 AUV标准H∞鲁棒航向控制器设计5.3.1 AUV线性航向控制器设计模型∞鲁棒航向控制器设计'>5.3.2 AUV标准H∞鲁棒航向控制器设计5.4 AUV非线性鲁棒航向控制器设计5.5 AUV航向控制仿真5.5.1 AUV虚拟仿真系统硬件结构5.5.2 AUV理想环境下航向控制仿真5.5.3 AUV近水面航向控制仿真5.5.4 AUV偏航力矩干扰下航向保持仿真5.6 本章小节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附录 A
相关论文文献
标签：自主式水下航行器论文; 航向控制论文; 非线性鲁棒控制论文; 反馈线性化论文;
