眾所周知,世界貿(mào)易的最大運輸保障是海洋運輸,海洋運輸由于其運輸成本低,運輸量大而備受歡迎。在海洋運輸中,船舶是其最主要的運輸載體,船舶運輸是國際貿(mào)易的根本保障。伴隨著國際貿(mào)易的頻繁、交易量的增長和大型遠洋集裝箱船的興起,能夠適應長路途、大容量的現(xiàn)代化智能船舶越來越得到國際貿(mào)易的青睞,加之各國海軍裝備技術的不斷提高,軍民共用技術的普及和發(fā)展,船舶運動控制技術成為了學術界的研究熱點。在船舶運動控制中,由于欠驅動船舶橫漂運動方向沒有推進設備,使得其相比于全驅動船舶更具挑戰(zhàn)性。欠驅動船舶具有強耦合、模型不確定等非線性特性,其運動控制存在外界時變干擾和船舶操縱性約束等特點。在欠驅動船舶的研究領域中,單船控制和編隊控制是兩大主要課題,其中,單船控制是基礎。然而,伴隨著船舶任務多樣性的發(fā)展趨勢,基于單船控制衍生而來的船舶編隊控制也越來越得到學術界的關注。相對于單船控制,編隊控制在海洋搜救、資源勘探、海洋科考、船舶救援、遠洋補給等方面優(yōu)勢明顯。因此,探索欠驅動船舶的單船控制和編隊控制方法,不僅對我國掌握船舶控制技術自主知識產(chǎn)權有很重要的意義,也符合我國加快建設海洋強國的國家戰(zhàn)略要求。本文在船舶三自由度運動模型的基礎上,深入分析了欠驅動船舶的非線性控制特性,結合了船舶模型不確定性和擾動時變等特性,對欠驅動船舶軌跡跟蹤控制和編隊控制進行了系統(tǒng)的研究。主要研究內容如下:(1)針對欠驅動船舶軌跡跟蹤控制中的虛擬控制律求導復雜和外界擾動未知等特性,提出了基于自適應PI滑模和估計擾動上界控制方法。通過引入虛擬速度變量,將軌跡跟蹤控制問題轉化為控制誤差鎮(zhèn)定問題,采用PI滑模控制和反步控制克服系統(tǒng)虛擬控制律求導復雜問題。利用分步標量函數(shù)的設計,給出系統(tǒng)控制器設計具體方案。直觀地給出了控制系統(tǒng)設計原理,增加了控制系統(tǒng)設計的直觀性。采用估計擾動上界的控制方法補償外界未知擾動,處理外界未知擾動對閉環(huán)控制系統(tǒng)的影響。最后,通過閉環(huán)系統(tǒng)控制器的設計和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,得到閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)半全局一致有界特性。(2)考慮工程實際需求,深入分析了在采用自適應PD滑模和參數(shù)估計控制方法設計欠驅動船舶軌跡跟蹤控制器時,存在擾動一階可導的假設問題,以及現(xiàn)有欠驅動船舶軌跡跟蹤控制研究中,采用基于符號函數(shù)的滑模動態(tài)控制律設計造成系統(tǒng)抖振等問題。提出了一種基于PI連續(xù)滑�？刂坪蛿_動上界估計的控制算法。通過將控制輸出分為處理未知擾動和模型不確定兩部分進行處理,在處理模型不確定時采用連續(xù)滑模動態(tài)控制律設計方法,從而避免由符號函數(shù)帶來的系統(tǒng)抖振。在處理控制系統(tǒng)外界未知擾動問題中,利用估計擾動上界的方法可以有效的避免擾動一階可導假設等問題,使得控制算法在實際工程中更加有效。(3)針對現(xiàn)存船舶軌跡跟蹤算法中需要基于橫漂速度無源有界的假設,本文提出一種放寬此種假設的船舶軌跡跟蹤算法。通過構造虛擬控制,建立虛擬控制量與橫漂速度之間的數(shù)學關系,利用坐標轉化將系統(tǒng)軌跡跟蹤問題轉化為控制誤差鎮(zhèn)定問題。采用自適應PI滑模和參數(shù)估計方法進行控制器設計,實現(xiàn)了欠驅動水面船軌跡跟蹤控制。最后通過李雅普洛夫穩(wěn)定性證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,得出閉環(huán)系統(tǒng)半全局一致有界收斂特性。(4)在研究單船軌跡跟蹤的基礎上,研究了基于領導-跟隨法的欠驅動船舶編隊控制問題。分析了欠驅動領導船和跟隨船同時存在模型不確定和外界環(huán)境擾動未知的特性,利用自適應PI滑模和擾動估計上界方法進行編隊控制系統(tǒng)設計。在控制器的設計中,通過采用自適應魯棒滑模和擾動上界估計控制,實時估計系統(tǒng)的模型參數(shù)和外界環(huán)境擾動,降低了編隊控制對船舶精確模型的依賴,提高了控制系統(tǒng)的控制精度。為了減輕因系統(tǒng)信息傳輸帶來的網(wǎng)絡負擔并降低船載速度測量設備成本,采用自適應控制來補償領導船的動態(tài)速度信息,從而降低了對領導船動態(tài)速度信息的依賴。最后,對本文所做工作進行了總結,展望了考慮船舶避碰、避障以及最優(yōu)編隊性能指標下船舶編隊控制研究等后續(xù)的研究方向。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U664.82
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景及其意義
    1.2 國內外研究現(xiàn)狀和成果
        1.2.1 欠驅動軌跡跟蹤控制研究現(xiàn)狀
        1.2.2 欠驅動船舶編隊控制研究現(xiàn)狀
    1.3 現(xiàn)階段研究存在的問題和不足
    1.4 本文主要的工作與內容
第二章 基于自適應PI滑模欠驅動船舶軌跡跟蹤控制
    2.1 引言
    2.2 問題描述
    2.3 欠驅動船舶控制器算法設計及其穩(wěn)定性分析
        2.3.1 反步遞歸設計
        2.3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
    2.4 對比數(shù)值仿真
    2.5 本章小結
第三章 基于PI滑模和擾動估計上界欠驅動船舶軌跡跟蹤控制
    3.1 引言
    3.2 問題描述
    3.3 控制器算法設計及其穩(wěn)定性分析
        3.3.1 控制器算法設計
        3.3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
        3.3.3 橫漂速度無源有界性分析
    3.4 對比數(shù)值仿真
    3.5 本章小結
第四章 無橫漂速度無源有界假設下欠驅動船舶軌跡跟蹤控制
    4.1 引言
    4.2 問題描述
    4.3 控制器算法設計及其穩(wěn)定性分析
        4.3.1 控制器算法設計
        4.3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
    4.4 數(shù)值仿真
        4.4.1 對比數(shù)值仿真
    4.5 本章小結
第五章 欠驅動船舶魯棒自適應滑模編隊控制
    5.1 引言
    5.2 問題描述
        5.2.1 船舶編隊數(shù)學模型
        5.2.2 領導跟隨控制
    5.3 欠驅動船舶編隊控制器算法設計及其穩(wěn)定性分析
        5.3.1 基于領導-跟隨的船舶自適應編隊控制算法設計
        5.3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
    5.4 數(shù)值仿真
        5.4.1 仿真結果
        5.4.2 對比數(shù)值仿真
    5.5 本章小結
第六章 總結和展望
    6.1 全文總結
    6.2 研究展望
參考文獻
致謝
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【參考文獻】

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本文編號：2851360