船舶航跡跟蹤是指船舶航行時,從初始位置駛?cè)腩A先規(guī)劃好的航線,并沿此航線最終抵達目的地的一個過程。欠驅(qū)動船舶是指船舶控制輸入量個數(shù)少于船舶自由度的水面船舶。目前,欠驅(qū)動船舶在海上作業(yè)中扮演著重要的角色,對推動海上貿(mào)易做出了重大貢獻,另外在軍事領域和其它工程上也都得到了廣泛應用。在海上航行過程中,由于船舶的操縱條件和所處的海洋環(huán)境等時常發(fā)生變化,船舶動態(tài)及所遭受的擾動存在明顯的不確定性,并且可能存在速度不可測的情況。船舶推進系統(tǒng)由于其物理限制,導致其所提供的控制力和力矩會受到約束。另外,當船舶在受限海域內(nèi)航行時,考慮航行安全問題,船舶航跡受到一定的約束。因此,開展欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制研究,具有重要的理論意義和應用價值。本文首先建立欠驅(qū)動船舶運動數(shù)學模型;然后,針對欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制問題,在擾動時變未知的情況下,應用自適應技術設計自適應律,估計未知時變擾動的上界,并結(jié)合輸出重定義方法和指令濾波反步法,設計欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制律;進一步,考慮速度不可測的情況,構造滑模狀態(tài)觀測器,根據(jù)船舶實際航跡和控制輸入,在線估計船舶速度,并結(jié)合輸出重定義方法、自適應技術和指令濾波反步法,設計欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制律�？紤]存在輸入飽和、擾動時變未知和速度不可測的情況下,設計輔助設計系統(tǒng),降低輸入飽和的影響,構造滑模狀態(tài)觀測器在線估計船舶速度,并結(jié)合輸出重定義方法、自適應技術和指令濾波反步法,設計欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制律。另外,在船舶存在動態(tài)不確定性、擾動時變未知和速度不可測的情況下,構造擴張狀態(tài)觀測器,根據(jù)船舶實際航跡和控制輸入,在線估計由船舶動態(tài)不確定性、未知時變擾動以及船舶各自由度運動狀態(tài)變量間的耦合構成的總擾動和船舶速度,并結(jié)合輸出重定義方法和動態(tài)逆控制方法,設計欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制律;進一步,考慮船舶輸出受限的情況,采用誤差變換方法處理輸出受限問題,構造擴張狀態(tài)觀測器估計總擾動和船舶速度,并結(jié)合輸出重定義方法和動態(tài)逆控制方法,設計欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制律。最后,以一艘欠驅(qū)動船舶為對象,利用Matlab/Simulink對上述所設計的欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制律進行仿真試驗,仿真結(jié)果表明所設計的欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制律的有效性。
【學位單位】：大連海事大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：U664.82
【部分圖文】：

Ｊ???欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤自適應魯棒控制研究???２數(shù)學模型和預備知識??本章將建立三自由度欠驅(qū)＆船舶水面運動數(shù)學模型，并介紹欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控??制律設計所需要的預備知識，ｆ后續(xù)章節(jié)的控制研究奠定基矗??２．１欠驅(qū)動船舶水面運茍｝數(shù)學模型??Ｉ??＾?＇?Ｘｂ??＇丨丨＼??〇￡?Ｘ?Ｙｅ??圖２．１北東坐標系和附體坐標系??Ｆｉｇ．?２．１?Ｎｏｒｔｈ－ｅａｓｔ?ｆｒａｍｅ?ａｎｄ?ｂｏｄｙ－ｆｉｘｅｄ?ｆｒａｍｅ??建立北東坐標系和附體坐標系如圖２．１所示，為北東坐標系，（９￡為海上任??意一點，軸指向正北，軸指向正東；為附體坐標系，為船舶的重??心，＆指向船首，＜９，｝；指向船舶右舷。忽略船舶的垂蕩、橫搖和縱搖運動的影響，??只考慮船舶的前進、橫漂和艏搖三個自由度的水平面運動，建立欠驅(qū)動船舶運動非線性??數(shù)學模型［３７］為??ｉ）?＝?Ｊ｛ｒｊ）ｏ?（２．１）??Ｍｉ＞?－?－Ｃ（ｖ）ｕ－Ｄ（ｕ）ｖ?＋?ｚ?＋?ｔｗ?（２．２）??式中，；；＝為北東坐標系下的船舶位置向量，由船舶實際位置和艏搖角Ｖ組??成，Ｖ是船首向與０￡Ｚ￡軸的夾角，逆時針為正；ｕ?＝?［？，ｖ，ｒｆ為附體坐標系下的速度向??量，分別由船舶前進速度《，橫漂速度ｖ以及艏搖角速度ｒ組成；為北東坐標系與??附體坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，且滿足廠１＾卜Ｍ為船舶的慣性矩陣；Ｃｈ）為科里奧??利和向心力矩陣；乃＾：）為非線性阻尼矩陣；ｒ?＝?ｈ，０＋；Ｔ為船舶推進器提供的控制向量，??由前進方向控制力ｒ？和艏搖方向控制力矩且成；￣?＝?代表風、浪、流等??－６?－??

Ｆｇ．．ｕｒｖｅｓ?ｏｔｍｅ－ｖａｒｙｎｇ?ｓｔｕｒａｎｃｅｓ?ａｎｔｅｒｏｕｎｓ?ｏｅｓｔｍａｔｏｎｓｎ?ｃａｓｅ?１??？?ｊ??情況２?：選取一階馬爾科夫過程的參數(shù)為７；?＝?—ｇ（ｌ?０００，１０００，１０００）和??ｈ?＝（／／ａｇ（ｌ〇〇〇，ｌ〇〇〇，ｌ〇〇〇）。船舶期望航跡為；＾?＝（１００?＋?６，）ｍ，－４００ｍ（？＜５〇）；??ｘｄ?＝（４００?＋?２００ｓｉｎ（０．０３？））ｍ?，?ｙｄ?－?（２００?＋?２００?ｃｏｓ（〇．０３？））ｍ?（５０?＜?ｆ?＜?１００＾／３?＋?５〇）；??？＝（４００－６，）ｍ，ｈ?＝〇ｍ（，＞?１００冗／３?＋?５０）。船舶初始位置為?ｘ（０）?＝?８０ｍ，ｊ；（０）?＝?３７０ｍ，??ｙ（０）?＝?０ｒａｄ。船舶初始速度以及控制器和指令濾波器的參數(shù)與情況１相同。??仿真結(jié)果如圖３．５？３．８所示。顯然，所設計的欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制律展現(xiàn)了和??情況１同樣令人滿意的控制效果。上述仿真結(jié)果表明所設計的欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤控制??律對時變擾動具有魯棒性。??

?欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤自適應魯棒控制研究???１５０?Ｘ??，：（Ｖ??＾?＼?—實際航跡?Ｊ??．５０?＼?丨－＿?航跡丨?／?－??－１００?＼?／??－１５０?Ｘ．??－２００?＾??－２００?－１５０?－１００?－５０?０?５０?１００?１５０?２００??ｘ／ｍ??圖３．１０情況１，＆作用下的航跡跟蹤曲線??Ｆｉｇ．?３．１０?Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ?ｔｒａｃｋｉｎｇ?ｃｕｒｖｅｓ?ｕｎｄｅｒ?ｒ５?ｉｎ?ｃａｓｅ?１??一?１０?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??１?ｓｒ?????＜?０?Ｉ??實際速度??咢＜「，，，■，，＿??估計速度??０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??一?２?￣￣?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?｜?■?Ｉ?Ｉ?￣￣ｉ??１：＾－—???Ｉ?Ｕ?｜?｜?｜?Ｉ?Ｉ?｜?｜?｜?｜???＾?０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?丨?４０?１６０?１８０?２００??了?２?Ｉ?Ｉ?｜?Ｉ?Ｉ?Ｉ?｜?｜?｜｜??翼?｜…一－－－－－－…：－－??Ｉ?Ｉ?Ｗ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?ＩＩ?Ｉ?Ｉ???＾?０?２０?４０?６０?８０?１００?１２０?１４０?１６０?１８０?２００??ｔ／ｓ??圖３．１１情況１，ｒ５作用下的船舶速度變化曲線??Ｆｉｇ．?３．１１?Ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｈｉｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ?ｕｎｄｅｒｐｉｎ?ｃａｓｅ?１??，ｘｌＯ６??１１?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ
【參考文獻】

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本文編號：2894162