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基于反步法的欠驱动船舶直线航迹跟踪控制

作　者: 张馨文
导　师: 杜佳璐
学　校: 大连海事大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 欠驱动船舶 直线航迹 自适应反步法 滑模控制 神经网络
分类号: U664.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 133次
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内容摘要


随着近年来海上运输量增加,船舶趋向大型化和高速化,导致航运密度大大增加,船舶在航行中又会受到各种无法预知的外界环境干扰,这些都使得船舶操纵运动问题变得特别复杂。而船舶在两个转向点之间的长距离航行司空见惯,为节省时间、缩短距离和节约成本,对船舶进行直线航迹控制非常具有针对性和实践性；大多数船舶都是欠驱动的,采用比较少的控制量来实现航迹等操纵控制,从而降低了船舶的重量和运行费用,提高了营运效益,改善了船舶的运行经济性能。综上,对欠驱动船舶直线航迹运动进行研究具有非常重大的意义。本文以船舶直线航迹运动作为研究对象,将滑模变结构控制、自适应控制、反步法、神经网络函数逼近等方法引入欠驱动船舶直线航迹踪控制。本论文所做的主要工作有：本文首先给出了船舶直线航迹跟踪控制系统3自由度的非线性数学模型,为直线航迹控制器的设计和仿真打下了基础。进一步,本文针对带有未知模型参数以及恒定外界干扰的,控制器增益符号已知的船舶直线航迹模型进行了研究,将滑模变结构控制理论引入到了船舶直线航迹控制器设计的过程中,给出了一种自适应滑模航迹跟踪控制器方法。接着又针对带有不确定函数项,不确定干扰,控制器增益符号未知的船舶直线运动控制模型进行了研究,在自适应反步设计方法的基础上,利用RBF神经网络逼近模型里的未知非线性函数,设计了一种自适应神经网络控制器方法。最后,通过Matlab对所设计的控制器分别进行仿真,仿真结果验证了所设计的控制器可以保证闭环系统的信号是一致最终有界的,从而实现了船舶的直线航迹控制。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 课题研究的意义  9
  1.2 船舶运动控制概述  9-12
    1.2.1 船舶运动控制  9-10
    1.2.2 船舶直线航迹运动控制  10-12
  1.3 船舶直线航迹跟踪控制的研究历史和现状  12-14
  1.4 本文主要内容和章节安排  14-16
第2章 船舶直线航迹运动数学模型  16-24
  2.1 船舶平面运动的运动学模型  16-19
    2.1.1 船舶运动坐标系  16-18
    2.1.2 船舶平面运动的运动学  18-19
  2.2 船舶平面运动的动力学模型  19-20
    2.2.1 平移运动方程  19
    2.2.2 旋转运动方程  19
    2.2.3 船舶平面运动基本方程  19-20
  2.3 船舶航迹控制系统的数学模型  20-23
    2.3.1 船舶直线航迹控制系统的数学模型  20-22
    2.3.2 带扰动的船舶直线航迹控制系统的数学模型  22-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章 Lyapunov稳定性理论与反步法设计工具  24-35
  3.1 LYAPUNOV稳定性理论  24-27
    3.1.1 Lyapunov稳定性定义  24-26
    3.1.2 Lyapunov稳定性定理  26-27
  3.2 反步设计工具  27-34
    3.2.1 反步设计方法  27-31
    3.2.2 自适应反步方法设计  31-34
  3.3 本章小结  34-35
第4章 船舶直线航迹控制的滑模自适应反步控制  35-48
  4.1 滑模变结构基础理论  35-38
    4.1.1 滑模变结构控制的基本原理  35-36
    4.1.2 滑动模态的存在条件和到达条件  36
    4.1.3 滑模变结构设计过程  36-37
    4.1.4 滑模自适应反步控制的基本思想  37-38
  4.2 BARBALAT定理及其推论  38-39
  4.3 带扰动的船舶直线航迹的滑模自适应反步控制  39-47
    4.3.1 问题描述  39
    4.3.2 输出变量重定义  39-40
    4.3.3 控制器设计  40-44
    4.3.4 仿真研究与分析  44-47
  4.4 本章小结  47-48
第5章 含不确定项的船舶直线航迹的神经网络自适应反步控制  48-61
  5.1 神经网络基础理论  48-51
    5.1.1 神经元  48-49
    5.1.2 径向基函数神经网络  49-50
    5.1.3 神经网络逼近  50-51
  5.2 NUSSBAUM引理  51
  5.3 含不确定项的船舶直线航迹的神经网络自适应反步控制  51-60
    5.3.1 问题描述  51-52
    5.3.2 控制器设计  52-56
    5.3.3 仿真研究与分析  56-60
  5.4 本章小结  60-61
总结及展望  61-62
参考文献  62-66
致谢  66

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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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