多领航者导引无人船集群的分布式时变队形控制

[目的]针对含有模型高度不确定性和未知海洋环境扰动的无人船集群,研究多领航者导引的欠驱动无人船(USV)集群的分布式时变队形控制问题。[方法]首先,在运动学层级,基于包含策略和路径操纵原理,设计时变队形分布式制导律;然后,在动力学层级,针对USV航行中存在的模型不确定性以及未知海洋环境扰动,设计基于扩张状态观测器(ESO)的前向速度和艏摇角速度控制律,减小模型不确定性和未知海洋环境扰动带来的影响;最后,进行级联系统稳定性分析和控制器有效性的仿真验证。[结果]研究表明,无人船集群采用的分布式时变编队闭环控制系统输入状态稳定,仿真结果证明了控制方法的有效性。[结论]所提出的控制器可以使无人船集群形成预定的时变编队队形,并跟踪多领航者形成的凸包。     

船舶航向自适应神经网络鲁棒跟踪控制

针对存在不确定性和带有完全未知时变环境扰动的船舶航向非线性控制系统,将指令滤波技术和反步法相结合,设计了一种船舶航向自适应神经网络鲁棒跟踪控制器,该控制器的提出不依赖于外部扰动任何的先验信息。首先,利用神经网络补偿船舶航向非线性控制系统中的非线性项;设计自适应律在线更新神经网络权重向量和估计时变环境扰动的未知界。为了避免传统反步法中对虚拟控制律的反复求导,引入指令滤波技术,使得所设计的航向自适应神经网络跟踪控制器具有结构简单、易于工程实现的特点。理论分析表明,所设计的控制器能使船舶实际输出航向以任意期望的精度跟踪给定的参考航向,保证船舶航向闭环控制系统中所有信号一致最终有界。最后,以大连海事大学远洋实习船“育龙”轮为例进行仿真,仿真结果验证了所提控制器的有效性和鲁棒性。     

欠驱动船舶全局K指数航迹跟踪的级联反步法

研究一类欠驱动船舶的全局航迹跟踪问题。首先对船舶动态系统和期望动态系统分别进行全局微分同胚变换,得到航迹跟踪的误差动态方程,由此将航迹跟踪问题转化为误差动态系统的镇定问题,然后利用级联系统理论将误差动态方程的镇定问题分解为两个独立子系统的镇定问题。通过分别为子系统设计全局指数稳定控制律实现了欠驱动船舶的全局K指数航迹跟踪。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于逆推方法的非线性船舶航迹跟踪控制

基于包括科氏向心矩阵和非线性阻尼项的、带恒值扰动的非线性船舶水面运动数学模型,采用带积分器的逆推(Backstepping)设计工具,设计船舶航迹跟踪控制律;并借助Lyapunov函数、应用相关引理证明了所设计的船舶航迹跟踪控制律使得最终的闭环航迹跟踪控制系统一致全局渐近稳定,达到航迹跟踪控制的目的.仿真研究表明,所设计的控制律使船舶能够克服恒值扰动跟踪期望航迹,且控制量合理,从而验证了所设计控制律的有效性.     

基于快速终端滑模自抗扰的船舶曲线航迹跟踪控制

针对欠驱动船舶的曲线航迹跟踪问题,首先采用自抗扰控制技术,通过扩张状态观测器实时估计和补偿系统的内部和外界扰动,将非线性快速终端滑模引入误差反馈控制环节,并采用幂指数趋近律,设计出快速终端滑模-自抗扰控制律,提高系统的收敛速度和误差跟踪精度,减小系统的抖振;然后对野本船舶模型简化变形,构造降维方程,将航迹跟踪问题转化为航向镇定问题.Simulink仿真结果表明,控制器能够实现船舶对期望曲线航迹的快速、精确跟踪,具有良好控制效果.     

基于快速终端滑模自抗扰的船舶曲线航迹跟踪控制

针对欠驱动船舶的曲线航迹跟踪问题,首先采用自抗扰控制技术,通过扩张状态观测器实时估计和补偿系统的内部和外界扰动,将非线性快速终端滑模引入误差反馈控制环节,并采用幂指数趋近律,设计出快速终端滑模-自抗扰控制律,提高系统的收敛速度和误差跟踪精度,减小系统的抖振;然后对野本船舶模型简化变形,构造降维方程,将航迹跟踪问题转化为航向镇定问题。Simulink仿真结果表明,控制器能够实现船舶对期望曲线航迹的快速、精确跟踪,具有良好控制效果。     

基于扰动观测器的动力定位船终端滑模航迹跟踪控制

针对具有输入饱和限制的非线性不确定动力定位船设计了一种基于扰动观测器的终端滑模(TSM)航迹跟踪控制算法。首先,为解决系统时变外部干扰与模型参数不确定问题,设计了一种终端滑模干扰观测器,该观测器可以保证所得到的估计误差在有限时间内收敛到零,进而提出了一种基于扰动观测器的终端滑模航迹跟踪控制律,该控制律可以保证动力系统在不确定输出上下界情况下给出合理的控制指令,并利用有限时间Lyapunov稳定性理论证明了在所设计的控制律下闭环系统所有状态在有限时间内收敛。最后,动力定位船舶的航迹跟踪控制仿真试验研究验证了该控制算法的有效性。     

带扰动观测器的船舶轨迹跟踪自适应动态面滑模控制

针对遭受未知外部环境扰动的三自由度全驱动船舶轨迹跟踪控制问题,设计一种带扰动观测器的自适应动态面滑模控制方法。该方法构造扰动观测器估计未知扰动,并对控制量进行前馈补偿,采用σ修正泄漏项的自适应律估计扰动观测误差的界以提高控制精度,结合动态面技术解决传统反演法的微分爆炸问题,并选取李雅普诺夫函数证明该控制器可保证闭环系统内所有信号的一致最终有界性。基于一艘供给船舶进行仿真试验,结果表明,所设计的控制器输出合理有效且跟踪精度高,在工程实际中具有一定的参考价值。     

船舶航向的自适应自调节PID跟踪控制

[目的]针对遭受时变环境扰动且存在参数不确定性的船舶航向非线性控制系统,为满足其航向控制的实时性要求,[方法]结合自适应技术,提出不依赖于模型参数与未知输入的自适应自调节的船舶航向跟踪控制方案,并利用Lyapunov直接方法验证该控制律的有界性。[结结果]仿真结果表明,该控制器可以自适应自调节PID的控制增益,不仅继承了传统PID控制器的优点,还对未知时变扰动具有良好的鲁棒性。[结论]研究成果可为船舶航向的跟踪控制设计提供参考。     

基于扩张状态观测器的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制

[目的]针对无人艇(USV)的模型不确定性和未知海洋环境扰动,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制算法。[方法]在运动学层级,设计基于平行接近制导原理的目标跟踪制导律;在动力学层级,针对模型不确定性和未知环境扰动,设计基于ESO的纵荡速度和艏摇角速度自抗扰控制律,以减小模型不确定性和环境扰动的影响;最后,通过输入状态稳定性定理和级联定理分析所提控制器的稳定性。[结果]实验结果表明,基于所提的自抗扰目标跟踪控制方法能使跟踪船有效地跟踪虚拟目标点。[结论]研究成果可为无人艇在环境扰动下的目标跟踪提供参考。     

欠驱动自主水下航行器的镇定及跟踪

针对仅带有轴向推力及偏航力矩的欠驱动自主水下航行器（AUV）,研究了其在水平面内的轨迹跟踪及定点调节问题。基于Lyapunov直接法及串接一反步技术,通过采用一种带有动力学震荡器的跟踪误差变换,设计了一种统一的连续时变状态反馈控制律,并给出了参数自适应更新律以估计AUV的非线性阻力参数,使得AUV的位置及方向角的跟踪误差全局渐近收敛于零点左右的一个邻域内,该区域可以为任意小,并且,AUV的跟踪性能与外界干扰的大小无关。仿真结果证明所提出的方法是有效的。     

考虑横向漂移的船舶路径跟踪自抗扰控制

针对船舶运动系统中内部动态不确定和外部干扰等问题,进行了欠驱动船舶路径跟踪的自抗扰方法研究。利用Backstepping设计参考航向角,并通过线性扩张状态观测器对流干扰和横向运动引起的横向漂移进行估计。其次,根据自抗扰算法对航向进行控制,采用线性扩张状态观测器对外界干扰及内部不确定项进行估计。最后仿真结果表明,在风流干扰下所设计的控制器仍能使船准确地跟踪上参考路径,验证了所提控制方案的有效性。     

船舶航向非线性系统的自适应动态面控制

针对船舶航向控制非线性系统模型中存在的不确定性和外界干扰的影响,采用动态面控制算法设计了一种鲁棒自适应控制器.由于在反步法设计过程中加入了一阶低通滤波器使得该方法无需对模型非线性多次微分,因而设计方法简单.所设计的鲁棒自适应控制器不仅能保证闭环系统的半全局渐近稳定,使得输出渐近跟踪期望轨迹;而且,跟踪误差可以通过控制器的设计参数加以调整,同时该算法还能克服可能存在的控制器奇异值问题.数字仿真结果表明,控制系统对给定航向的跟踪具有良好的动态特性,对系统的不确定性,具有较强的鲁棒性.     

基于新型滑动模态和观测器的船舶自动舵设计

设计一种新型准滑动模态船舶自适应自动舵,该自动舵可以克服模型参数未知和外界扰动,具有较强鲁棒性。为克服滑模面切换带来的抖振,在指数趋近律的基础上,提出一种新型的双曲正弦函数的指数趋近律,使轨迹的运动速度与轨迹和滑模面的距离相关联,实现自适应调节,使切换平缓;同时利用状态观测器对船舶模型参数及外界干扰进行观测,从而实现有效补偿;最后借鉴Backstepping方法设计船舶航向滑模控制器。通过对一具体船舶航向控制器的仿真,验证了上述方法的有效性。     

基于FTESO和漂角补偿的船舶航向滑模控制

[目的]为提高水面欠驱动船舶的航向跟踪性能,减小航向误差,研究一种基于有限时间扩张状态观测器(FTESO)的船舶航向滑模控制方法.[方法]首先,采用预滤波器减小船舶转向时较大的航向变化率影响,利用扩张状态观测器对时变漂角进行估计,然后通过估计出的漂角及时修正航向误差.为简化控制器设计,艏摇方向上的外部扰动和内部不确定项...     

跟踪误差约束条件下不完全驱动船舶航迹跟踪控制（英文）

This paper presents a constructive design of new controllers that force underactuated ships under constant or slow time-varying sea loads to asymptotically track a parameterized reference path, that guarantees the distance from the ship to the reference path always be within a specified value. The control design is based on a global exponential disturbance observer, a transformation of the ship dynamics to an almost spherical form, an interpretation of the tracking errors in an earth-fixed frame, an introduction of dynamic variables to compensate for relaxation of the reference path generation, p-times differentiable step functions, and backstepping and Lyapunov's direct methods. The effectiveness of the proposed results is illustrated through simulations.     

Finite-time ship formation control based on extended state observer北大核心CSCD

[目的]为了解决大多数船舶编队控制算法控制周期长和时效性差的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的有限时间控制策略。[方法]采用一种非线性终端滑模算法,通过对控制律分区域设计,克服传统终端滑模存在的奇异性问题;将非线性终端滑模与图论结合,实现有限时间的船舶编队控制;利用扩张状态观测器观测并补偿船舶模型中的不确定性及外界的干扰,以保证船舶编队控制的精确性;运用Lyapunov理论验证船舶编队控制律的稳定性。[结果]仿真结果表明,采用所提控制策略使整个编队系统误差在5 s左右趋近于0,从而实现了稳定。[结论]该控制策略能有效控制船舶编队,且控制速度快、时效性好。     

欠驱动不对称水面船舶输出反馈镇定控制

研究了一类欠驱动不对称船舶的全局一致渐近输出反馈镇定控制问题。该船舶横向上未装备驱动装置,加速度带有不可积的非完整约束条件,并且惯性参数矩阵和阻尼参数矩阵中的非对角线元素允许存在非零项。由于欠驱动船舶的速度和角速度不易测量,设计了高增益观测器估计速度状态变量。通过对系统进行坐标变换,并结合高增益观测器,根据分离原则设计了欠驱动不对称船舶的全局时变光滑输出反馈镇定律,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

Global robust and adaptive output feedback dynamic positioning of surface ships

A constructive method was presented to design a global robust and adaptive output feedback controller for dynamic positioning of surface ships under environmental disturbances induced by waves, wind, and ocean currents. The ship’s parameters were not required to be known. An adaptive observer was first designed to estimate the ship’s velocities and parameters. The ship position measurements were also passed through the adaptive observer to reduce high frequency measurement noise from entering the control system. Using these estimate signals, the control was then designed based on Lyapunov’s direct method to force the ship’s position and orientation to globally asymptotically converge to desired values. Simulation results illustrate the effectiveness of the proposed control system. In conclusion, the paper presented a new method to design an effective control system for dynamic positioning of surface ships.