欠驅(qū)動水面船舶航跡自抗擾控制研究.pdf

1、為解決常規(guī)水面船舶的欠驅(qū)動、系統(tǒng)內(nèi)部動態(tài)和外部干擾不確定性、控制輸入飽和、運動狀態(tài)約束條件特性及風流干擾作用下的橫漂等控制問題，本文進行了基于自抗擾控制的欠驅(qū)動水面船舶航跡控制的研究，主要工作和成果包括:
　　 1.欠驅(qū)動船舶非線性動力學模型的研究:基于船舶分離型模型并結(jié)合前人試驗數(shù)據(jù)，建立了精度較高的欠驅(qū)動船舶運動數(shù)學模型;結(jié)合模型分析了船舶運動特性;應用建立的船舶非線性水動力模型，在Matlab Simulink環(huán)境下搭建了

2、高精度的三自由度船舶運動控制仿真平臺，為后面驗證航跡跟蹤控制器的有效性打下基礎(chǔ)。
　　 2.滑模自抗擾控制算法的研究:利用擴張狀態(tài)觀測器能夠求微分的功能將跟蹤控制問題轉(zhuǎn)化為鎮(zhèn)定控制問題，簡化了自抗擾控制結(jié)構(gòu);提出了滑模自抗擾控制方法，應用滑模迭代方法設(shè)計自抗擾控制律中誤差反饋環(huán)節(jié)，并分別利用線性滑模和具有約束條件的非線性滑模設(shè)計誤差反饋控制律以解決船舶運動狀態(tài)的約束條件特性問題，改進了自抗擾控制的結(jié)構(gòu)，參數(shù)物理意義明顯、調(diào)整簡單

3、直觀;應用單調(diào)有界的雙曲正切函數(shù)解決自抗擾控制輸入飽和的問題。
　　 3.船舶路徑跟蹤自抗擾控制設(shè)計的研究:利用自抗擾控制主動抗擾模式，控制設(shè)計時不考慮航向，直接將船舶路徑的橫向偏差作為被控制量，設(shè)計了基于無參考航向角的滑模自抗擾路徑跟蹤控制器，實現(xiàn)了船舶的初始船首向與計劃航向差值小于90度時的直線和曲線路徑跟蹤;利用雙曲正切函數(shù)的單調(diào)有界性設(shè)計了路徑橫向偏差與航向偏差的非線性組合函數(shù)，并將對其鎮(zhèn)定作為控制目標，設(shè)計了基于參考航

4、向的路徑跟蹤自抗擾控制器，確保船舶在初始船首向與計劃航向角差值大于90度依然能夠回到計劃航線;為解決風流干擾造成的船舶橫漂問題，基于參考航向的船舶路徑跟蹤控制算法，采用如下三種各自獨立的控制設(shè)計方法進行船舶路徑跟蹤自抗擾控制設(shè)計，實現(xiàn)了欠驅(qū)動船舶能夠在風流干擾作用下對直線和（或）曲線路徑的跟蹤控制。三種方法分別為:(1)基于Backstepping思想的路徑跟蹤控制;(2)基于航跡向跟蹤的路徑跟蹤控制;(3)基于構(gòu)造期望參考船首向的路徑

5、跟蹤控制。
　　 4.船舶軌跡跟蹤自抗擾分散控制設(shè)計的研究:將分散控制理論應用于欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制，結(jié)合自抗擾控制方法，針對多輸入多輸出船舶軌跡跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計欠驅(qū)動船舶軌跡跟蹤自抗擾分散控制器，設(shè)計思路是將命令舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速看做系統(tǒng)的控制輸入，舵角控制船舶路徑、螺旋槳轉(zhuǎn)速控制前進速度，將耦合部分納入總擾動由擴張狀態(tài)觀測器根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出進行實時估計并在控制律中加以補償。
　　 5.以大連海事大學實習船“育龍”