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基于Backstepping的欠驱动船舶运动镇定控制方法研究

作　者: 吴静
导　师: 丁福光
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 欠驱动水面船舶 运动镇定控制器 微分同胚变换 反步法 自适应滑模法
分类号: U664.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 27次
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内容摘要


随着现代控制技术的飞速发展，使得研究以及解决非完整系统的非线性控制问题具有重要性。研究欠驱动非完整系统，不仅能够节约成本，而且还可以提高系统的操纵性与安全性能，因此，近年来欠驱动非线性系统成为国内外学者的研究热点。本论文的研究对象是欠驱动水面船舶，它属于一类特殊的非线性系统，由于船舶没有在横向上安装推进器（或者在横向上的推进器由于某种原因不能正常工作），所以只能通过主推进器和舵机（或者全回转艉推）对欠驱动船舶进行控制，其研究具有一定的挑战性。因为欠驱动船舶具有传统船舶不具有的一些特性（例如特殊非线性、非完整性、不确定性等），所以为了满足控制需求不能将一般的船舶控制方法应用到欠驱动船舶系统中，寻求新的可行的控制方法成为当前的需求。欠驱动水面船舶的基本运动控制包括：定点运动镇定控制和航迹跟踪控制。本课题的主要目的是通过分析研究欠驱动船舶的运动特性，运用系统非完整约束的特点和微分同胚变换，设计欠驱动船舶运动镇定控制器，使船舶从非零位置运动镇定到坐标原点。论文主要需要完成以下几个方面内容：第一，经过合理的简化，建立欠驱动水面船舶运动的三自由度动态数学模型，并对船舶模型进行直航和定常回转，用来保证控制器仿真的正确性。详细的分析了欠驱动水面船舶三个重要特性。第二，设计基本的反步镇定控制器。忽略外界干扰的情况下，将船舶运动方程通过微分同胚变换，将其变为三阶系统和一阶线性系统，然后利用Backstepping方法设计运动镇定控制器。第三，将欠驱动船舶微分方程变换成两个级联的新系统，对于系统存在未知干扰以及不确定参数时，利用滑模控制与反步法相结合的的思想，提出了具有全局稳定的镇定控制器（即自适应滑模反步法）方法，并且对此系统进行稳定性分析，然后分别对两个新系统基于新的控制方法，设计镇定控制器。第四，欠驱动船舶运动镇定控制问题解决主要的方法有：σ变换法、齐次法、滑模控制、精确反馈线性化、反步法，以及智能控制方法。本文对提出的新控制方法以及齐次法和滑模控制器利用VC++6.0进行对比仿真，说明对欠驱动船舶系统而言，在有扰动的情况下，提出的新的控制方法优于现有的其他控制方法。最后，总结了本论文的研究成果，分析设计的控制器的不足之处，以及对欠驱动水面船舶镇定做了几点展望。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-17
  1.1 引言  10
  1.2 课题研究的目的与意义  10-11
  1.3 欠驱动水面船舶运动镇定控制器的研究现状  11-16
    1.3.1 非线性控制研究情况  11-13
    1.3.2 欠驱动船舶镇定控制研究情况  13-16
  1.4 本文的主要工作  16-17
第2章 欠驱动水面船舶的数学模型及其特性研究  17-31
  2.1 引言  17
  2.2 坐标系的建立  17-19
  2.3 船舶数学模型  19
  2.4 欠驱动水平面船舶模型的简化  19-21
  2.5 船舶模型的仿真验证  21-26
    2.5.1 定常直航仿真实验  22-23
    2.5.2 定常回转仿真实验  23-26
  2.6 欠驱动船舶的特性研究  26-30
    2.6.1 非完整特性  26-27
    2.6.2 平衡点特性  27-28
    2.6.3 在平衡点处的控制特性  28-30
  2.7 本章小结  30-31
第3章 基于 Backstepping 的欠驱动船舶运动镇定控制  31-47
  3.1 引言  31
  3.2 Lyapunov 稳定性理论  31-32
  3.3 Backstepping 的设计原理  32-34
  3.4 基于 Backstepping 的欠驱动水面船舶运动镇定控制器设计  34-40
  3.5 基于 Backstepping 的欠驱动船舶运动镇定控制方法仿真  40-46
    3.5.1 控制系统方框图及仿真程序流程图  40-42
    3.5.2 基于齐次法设计的控制器  42
    3.5.3 无风静水条件下的仿真结果  42-44
    3.5.4 有界时变环境干扰条件下的仿真结果  44-46
  3.6 本章小结  46-47
第4章 自适应滑模反步法在欠驱动船舶运动镇定控制中的研究  47-63
  4.1 引言  47
  4.2 全局微分同胚变换以及子系统的划分  47-51
  4.3 基于自适应滑模反步法的镇定控制器设计  51-56
    4.3.1 系统 1 的控制器设计  52-53
    4.3.2 系统 2 的控制器设计  53-54
    4.3.3 系统的稳定性分析  54-55
    4.3.4 控制器的改进  55-56
  4.4 基于自适应滑模反步法的欠驱动船舶镇定仿真验证  56-62
    4.4.1 滑模控制器的设计  56-57
    4.4.2 无风静水条件下的仿真结果  57-60
    4.4.3 有界时变环境干扰条件下的仿真结果  60-62
  4.5 本章小结  62-63
结论  63-65
参考文献  65-70
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  70-71
致谢  71

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶机械 > 船舶系统 > 船舶操纵控制系统
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