本文關鍵詞：具有橫搖約束的欠驅動水面艇航跡跟蹤控制研究　出處：《江蘇大學》2016年碩士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 航跡跟蹤 橫搖約束 預測控制 有限時間控制 卡爾曼濾波 干擾觀測器

【摘要】：水面艇作為速度快、靈活機動的小型智能水面運動平臺,在執(zhí)行偵察、排雷、搜救、水文勘察等軍事和民用任務時都有不可替代的作用。水面艇通常僅依靠螺旋槳的推進力和舵的轉向力矩控制水平面橫向、縱向位置和艏搖3個自由度運動,具有欠驅動性。在受到風、浪、流的干擾時,水面艇往往會偏離預定安全航跡,同時有較大幅度的橫搖,影響乘員舒適性、損壞貨物,甚至發(fā)生傾覆。因此,提高水面艇操縱性以克服橫搖并實現(xiàn)航跡跟蹤控制,是近年來船舶控制領域研究的熱點問題之一。本文采用有限時間控制研究三自由度欠驅動水面艇航跡跟蹤控制問題;為了避免水面艇劇烈橫搖帶來的危險,采用耦合橫搖的四自由度航跡跟蹤模型,基于預測控制算法,將橫搖角作為狀態(tài)約束,設計預測控制器控制航向;同時,采用Sage-Husa自適應卡爾曼濾波技術消除噪聲的影響,設計干擾觀測器消除干擾的影響,實現(xiàn)航跡跟蹤的目的,并起到抗橫搖作用。首先,基于水面艇三自由度航跡跟蹤誤差模型,設計Backstepping非線性控制律,使水面艇能快速跟蹤到期望航跡,保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此基礎上,進一步考慮水面艇受外界風、浪、流干擾的影響,利用有限時間控制快速收斂性和強抗干擾能力的特點,設計Backstepping和有限時間控制綜合控制律,提高了水面艇航跡跟蹤系統(tǒng)的魯棒性,從理論上證明控制系統(tǒng)有限時間收斂性能和抗干擾能力,通過仿真驗證了算法的有效性。然后,針對水面艇受風、浪、流的影響產(chǎn)生橫搖,基于耦合橫搖的四自由度線性模型,將橫搖角作為預測控制的狀態(tài)約束,滾動優(yōu)化舵偏角實現(xiàn)欠驅動水面艇的航跡跟蹤。通過仿真調整不同的預測步長和不同的矩陣,實時對狀態(tài)預測校正,驗證了預測控制器能有效減少橫搖角,使得系統(tǒng)各狀態(tài)量收斂到平衡點達到穩(wěn)定狀態(tài),最終保證水面艇能按預定軌跡安全航行。最后,針對水面艇航跡跟蹤系統(tǒng)的測量值為航向角,其余狀態(tài)量不能直接測量,考慮到系統(tǒng)噪聲和測量噪聲的影響,應用Sage-Husa自適應卡爾曼濾波技術對狀態(tài)量進行最優(yōu)估計;針對風、浪、流干擾的影響,設計干擾觀測器,實時估計外界干擾,結合預測控制對系統(tǒng)進行干擾補償,綜合分析帶有噪聲、干擾和橫搖約束的水面艇航跡跟蹤預測控制,并通過航模實驗驗證了算法的有效性。
[Abstract]:The boat as fast, flexible and intelligent small surface motion platform maneuvering, in reconnaissance, mine rescue, military and civilian hydrographic survey tasks have irreplaceable role. Usually only rely on surface ships steering torque control water plane transverse propeller propulsion and rudder, longitudinal position and yaw in 3 degrees of freedom of movement, is underactuated. Under wind, wave, flow disturbance, water craft often deviates from a predetermined safety track, and roll greatly, affect occupant comfort, damage to the goods, or even overturn. Because of this, improve the surface vessel maneuverability to overcome rolling and realize trajectory tracking control, ship control is one of the hot issues in the field of research in recent years. This paper adopts the finite time control study of three DOF underactuated surface ship trajectory tracking control problem; in order to avoid severe roll surface vessel danger, The four degree of freedom trajectory coupling rolling tracking model predictive control algorithm based on the roll angle as the state constraint, the predictive controller is designed to control the course; at the same time, using Sage-Husa adaptive Calman filtering to eliminate the influence of noise, disturbance observer is designed to eliminate the interference effect, achieve tracking purposes, and has anti roll effect of surface vessel. First, three degree of freedom trajectory tracking error model based on the design of Backstepping nonlinear control law, the surface vessel can track the desired trajectory, ensure the stability of the closed-loop system. On this basis, further consideration of surface vessel under external wind, wave, flow disturbance, the finite time control fast convergence and strong anti-interference ability, Backstepping design and finite time control integrated control law, to improve the robustness of surface ship trajectory tracking system, from the theory of Shanghai The control system of finite time convergence performance and anti-jamming capability, the simulation verifies the effectiveness of the algorithm. Then, according to the surface the boat by the wind, wave, flow impact rolling, linear model of four degrees of freedom coupling rolling based on the roll angle as a predictive state constraint control, rolling optimization rudder angle track drive realize under surface ship tracking. Through the simulation adjustment prediction step, different matrix, real-time state prediction correction, validate the predictive controller can effectively reduce the roll angle, which makes the state system converge to the equilibrium point reaches a steady state, the ultimate guarantee of water craft according to the predetermined trajectory safety. Finally, for the measurement of surface ship trajectory tracking system of value to the heading, the rest of the state of quantity can not be measured directly, taking into account the influence of system noise and measurement noise, the application of Sage-Husa adaptive Calman filtering The optimal estimation of the state; for the wind, wave, flow disturbance, disturbance observer design, real-time estimation of interference, combined with predictive control of disturbance compensation system, a comprehensive analysis with noise, surface vessel track jamming and roll constraint tracking control, and the effectiveness of the algorithm is verified by model experiment.

【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U664.82

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本文編號：1416224