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(yīng)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(shù)的不斷提高,軍民共用技術(shù)的普及和發(fā)展,船舶運動控制技術(shù)成為了學(xué)術(shù)界的研究熱點。在船舶運動控制中,由于欠驅(qū)動船舶橫漂運動方向沒有推進設(shè)備,使得其相比于全驅(qū)動船舶更具挑戰(zhàn)性。欠驅(qū)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(qū)動船舶的研究領(lǐng)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(chǔ)。然而,伴隨著船舶任務(wù)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(xué)術(shù)界的關(guān)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(qū)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(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)有很重要的意義,也符合我國加快建設(shè)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(chǔ)上,深入分析了欠驅(qū)動船舶的非線性控制特性,結(jié)合了船舶模型不確定性和擾動時變等特性,對欠驅(qū)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(nèi)容如下:(1)針對欠驅(qū)動船舶軌跡跟蹤控制中的虛擬控制律求導(dǎo)復(fù)雜和外界擾動未知等特性,提出了基于自適應(yīng)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(zhuǎn)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(dǎo)復(fù)雜問題。利用分步標(biāo)量函數(shù)的設(shè)計,給出系統(tǒng)控制器設(shè)計具體方案。直觀地給出了控制系統(tǒng)設(shè)計原理,增加了控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(yīng)PD滑模和參數(shù)估計控制方法設(shè)計欠驅(qū)動船舶軌跡跟蹤控制器時,存在擾動一階可導(dǎo)的假設(shè)問題,以及現(xiàn)有欠驅(qū)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(shè)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(shè)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(dǎo)假設(shè)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(shè),本文提出一種放寬此種假設(shè)的船舶軌跡跟蹤算法。通過構(gòu)造虛擬控制,建立虛擬控制量與橫漂速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)化將系統(tǒng)軌跡跟蹤問題轉(zhuǎn)化為控制誤差鎮(zhèn)定問題。采用自適應(yīng)PI滑模和參數(shù)估計方法進行控制器設(shè)計,實現(xiàn)了欠驅(qū)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(chǔ)上,研究了基于領(lǐng)導(dǎo)-跟隨法的欠驅(qū)動船舶編隊控制問題。分析了欠驅(qū)動領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)PI滑模和擾動估計上界方法進行編隊控制系統(tǒng)設(shè)計。在控制器的設(shè)計中,通過采用自適應(yīng)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(luò)負擔(dān)并降低船載速度測量設(shè)備成本,采用自適應(yīng)控制來補償領(lǐng)導(dǎo)船的動態(tài)速度信息,從而降低了對領(lǐng)導(dǎo)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(jié),展望了考慮船舶避碰、避障以及最優(yōu)編隊性能指標(biāo)下船舶編隊控制研究等后續(xù)的研究方向。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(nèi)外研究現(xiàn)狀和成果
        1.2.1 欠驅(qū)動軌跡跟蹤控制研究現(xiàn)狀
        1.2.2 欠驅(qū)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(nèi)容
第二章 基于自適應(yīng)PI滑模欠驅(qū)動船舶軌跡跟蹤控制
    2.1 引言
    2.2 問題描述
    2.3 欠驅(qū)動船舶控制器算法設(shè)計及其穩(wěn)定性分析
        2.3.1 反步遞歸設(shè)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(jié)
第三章 基于PI滑模和擾動估計上界欠驅(qū)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(shè)計及其穩(wěn)定性分析
        3.3.1 控制器算法設(shè)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(jié)
第四章 無橫漂速度無源有界假設(shè)下欠驅(qū)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(shè)計及其穩(wěn)定性分析
        4.3.1 控制器算法設(shè)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(jié)
第五章 欠驅(qū)動船舶魯棒自適應(yīng)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(xué)模型
        5.2.2 領(lǐng)導(dǎo)跟隨控制
    5.3 欠驅(qū)動船舶編隊控制器算法設(shè)計及其穩(wěn)定性分析
        5.3.1 基于領(lǐng)導(dǎo)-跟隨的船舶自適應(yīng)編隊控制算法設(shè)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(jié)果
        5.4.2 對比數(shù)值仿真
    5.5 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)和展望
    6.1 全文總結(jié)
    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