基于有限時間控制的欠驅(qū)動水面船舶航跡跟蹤


1.5萬字 41頁 原創(chuàng)作品，已通過查重系統(tǒng)


摘要：近年來，欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制問題是研究熱點和難點之一。目前，海上航行的大多數(shù)船舶(僅裝備螺旋槳主推進(jìn)器和舵裝置用以推進(jìn)和操縱)是典型的欠驅(qū)動系統(tǒng)。欠驅(qū)動船舶系統(tǒng)屬于帶有非完整加速度約束的一類非線性系統(tǒng)，一般非完整系統(tǒng)的研究結(jié)論不能直接應(yīng)用于欠驅(qū)動船舶系統(tǒng)上來，使得欠驅(qū)動船舶的航跡跟蹤控制器設(shè)計較為因難，尤其在船舶的模型參數(shù)辨識不準(zhǔn)確，以及存在外界復(fù)雜干擾時，要實現(xiàn)欠驅(qū)動船舶的航跡跟蹤控制具有一定的挑戰(zhàn)性。本論文主要研究欠驅(qū)動船舶系統(tǒng)航跡跟蹤問題，主要研究內(nèi)容如下：
首先，分析了國內(nèi)外欠驅(qū)動船舶控制的情況，建立了欠驅(qū)動水面船舶的運動學(xué)模型和動力學(xué)模型；通過船舶動力學(xué)分析將航跡跟蹤簡化為控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題，從而獲得欠驅(qū)動水面艇的控制模型。
其次，針對欠驅(qū)動水面船舶的控制模型，基于Backstepping方法設(shè)計了反饋控制律，基于Lyapunov直接法證明該控制律保證閉環(huán)系統(tǒng)所有信號全局一致最終有界，通過仿真驗證了算法的有效性。
最后，針對存在風(fēng)、浪、流時變干擾的三自由度欠驅(qū)動水面船舶軌跡跟蹤問題，根據(jù)有限時間控制對系統(tǒng)的不確定性和外界干擾具有魯棒性的特點，提出了一種基于有限時間和Backstepping復(fù)合的非線性控制方案。利用有限時間控制在系統(tǒng)在平衡點具有更好的收斂性能，有更好的抗干擾性能，以及不抖顫的優(yōu)點，設(shè)計了復(fù)合有限時間控制+Backstepping控制律。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)欠驅(qū)動船舶對直線路徑的精確跟蹤，且具有較強(qiáng)的魯棒性。


關(guān)鍵詞:欠驅(qū)動水面船舶 航跡跟蹤有限時間控制反步法