SWATH船纵向运动的鲁棒H∞控制研究

建立了SWATH船纵向运动控制系统的数学模型,并针对模型和外部扰动的不确定性,在SWATH船纵向运动控制中引入了状态反馈H∞控制方法;充分利用LMI(Linear Matrix Inequality)理论处理方法的优点对控制规律进行了优化。仿真结果表明,利用此方法设计的控制器对SWATH船所受到的外部扰动具有较好的抑制作用,能满足系统纵向运动性能的要求,具有一定的实用性。     

基于扩张观测器的船舶动力定位系统反演滑模变结构控制

针对海洋平台船舶动力定位控制系统,结合反演滑模控制与扩张观测器的优势,提出一种基于扩张观测器的船舶动力定位反演滑模控制方法。考虑到系统存在未知外部干扰以及船舶模型参数不确定性的问题,将系统分为内环观测器和外环控制器分别设计,首先利用扩张观测器估计系统的未知状态及不确定项,然后在外环的反演滑模控制器中进行补偿,最后用Lyapunov方法证明系统的稳定性。通过船舶定点控制仿真实验表明,基于扩张状态观测器的反演滑模控制器使得船舶纵荡和横荡的位置及首摇角度逐渐保持在期望值,具有较强的鲁棒性和控制性,能够有效抑制传统滑模控制的抖振问题,有益于船舶工程应用。     

基于扩张观测器的船舶动力定位系统反演滑模变结构控制

针对海洋平台船舶动力定位控制系统,结合反演滑模控制与扩张观测器的优势,提出一种基于扩张观测器的船舶动力定位反演滑模控制方法.考虑到系统存在未知外部干扰以及船舶模型参数不确定性的问题,将系统分为内环观测器和外环控制器分别设计,首先利用扩张观测器估计系统的未知状态及不确定项,然后在外环的反演滑模控制器中进行补偿,最后用Lyapunov方法证明系统的稳定性.通过船舶定点控制仿真实验表明,基于扩张状态观测器的反演滑模控制器使得船舶纵荡和横荡的位置及首摇角度逐渐保持在期望值,具有较强的鲁棒性和控制性,能够有效抑制传统滑模控制的抖振问题,有益于船舶工程应用.     

基于高增益观测器的船舶航迹鲁棒跟踪控制

为实现水面船舶的航迹精确跟踪控制,考虑了海浪干扰对控制系统的影响,提出了基于高增益观测器的鲁棒最优控制方法。首先,针对系统内部不确定性和外界扰动对控制精度带来的影响,建立了含有系统复合扰动的非线性航迹跟踪模型;进而,设计高增益观测器对系统复合扰动进行估计和补偿,并设计一个带有前馈补偿器的最优控制器,获得系统的期望跟踪性能。最后针对某船舶进行了航迹跟踪控制的数值仿真试验,仿真结果表明设计的控制器对外界海浪干扰有较好的抑制作用,可以实现船舶航迹的精确跟踪。     

Serret-Frenet框架下欠驱动船的输出反馈路径跟踪鲁棒控制

研究欠驱动船舶在规定速度条件下的路径跟踪控制问题,提出一种基于终端滑模与Backsteping方法相结合的复合输出反馈控制策略.该控制策略利用Backsteping能够获得控制算法显式解的优点,构造出控制器算法的结构形式,然后设计一个基于观测器设计的逆动态终端滑模面,使得系统的估计状态跟踪误差能够在有限时间到达滑模面上,最终达到系统可镇定.最后,通过Lyapunov稳定性理论证明该复合控制策略的稳定性.利用实船数据进行数字仿真,结果表明该控制策略具有良好的跟踪性能.     

基于自抗扰的反步非奇异终端滑模船舶航向控制器设计

针对船舶受到不确定干扰的情况下不能准确、快速地跟踪期望航向的问题,设计一种基于自抗扰技术的反步非奇异终端滑模航向控制器,该控制器通过跟踪微分器对期望航向及其微分进行精确提取,通过线性扩张状态观测器实时估计并补偿系统内部和外部的总扰动,引入一阶低通滤波器,有效避免传统反步法中出现的"微分膨胀"问题,利用反步非奇异终端滑模控制技术设计控制律,提高系统的响应速度、抗干扰性和控制精度,通过构造Lyapunov函数证明了系统的稳定性。Simulink仿真试验证明,控制器在不同外界条件下均可对期望航向进行准确、快速地跟踪,具有较强的鲁棒性。     

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。     

考虑模型偏差和时变扰动的水下机器人轨迹跟踪控制

本文针对考虑模型不确定性和时变外界环境扰动的水下机器人轨迹跟踪问题展开研究。首先基于水下机器人水平面运动学和动力学方程,结合有限时间控制方法设计一个有限时间扰动观测器用于对总扰动进行实时估计。随后基于反步滑模控制完成带扰动观测器的轨迹跟踪控制律设计,并采用二阶滤波器对虚拟控制信号进行过滤,增设滤波补偿系统用于保证滤波信号的精度。选择高增益扰动观测器和传统反步滑模控制器分别作为扰动观测器和控制器的对比项。最后在Matlab Simulink平台中进行了轨迹跟踪仿真实验。仿真结果表明,所设计的扰动观测器能够对总扰动实现快速且准确的观测估计,且水下机器人能够对目标轨迹能实现较好的跟踪效果。本文所设计的控制器可以使水下机器人快速地跟踪上目标轨迹,且相较于传统反步滑模控制器有着更小的跟踪误差。     

复杂扰动下水下机器人的轨迹精确跟踪控制

[目的]针对外界复杂干扰下水下机器人三维轨迹精确跟踪控制的问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的非奇异终端滑模控制方法.[方法]设计非奇异终端滑模轨迹跟踪控制器,保证跟踪误差在有限时间内精确收敛到零.在外界多维度时变干扰下,设计有限时间扰动观测器,提高系统的抗干扰能力.[结果]利用Lyapunov函数证明所设计控制策略...     

基于NESO的潜艇航向滑模控制器设计

[目的]潜艇在复杂海况下进行水面航行时,为实现低噪操舵控制,[方法]采用潜艇水平面线性运动模型,并利用基于双幂次趋近律的滑模控制对参数变化和外部干扰不敏感、响应速度快、容易实现等优点,设计航向控制器。针对海浪干扰问题,利用非线性扩张状态观测器(NESO)设计海浪滤波器,用以补偿系统外部干扰。[结果]理论推导结果证明了航向滑模控制器的稳定性,并通过Matlab仿真结果验证了其良好的滤波效果。[结结论]研究结果表明,该航向滑模控制器在不同航速、不同海况、不同浪向下均可实现低噪、快速、高精度的航向控制性能。     

基于ESO和动态逆的欠驱动船舶航迹跟踪控制设计

针对欠驱动船舶航迹跟踪控制问题,考虑船舶动态不确定性、未知时变外部扰动和速度不可测的情况,将输出重定义方法、扩张状态观测器(extended state observer, ESO)和动态逆控制方法相结合,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律。输出重定义方法用来解决系统欠驱动问题;构造ESO,估计由船舶动态不确定性、未知时变外部扰动以及船舶各自由度运动状态变量间的耦合构成的总扰动和船舶速度;基于上述,采用动态逆控制方法,设计航迹跟踪控制律,使欠驱动船舶跟踪期望航迹,并保证航迹跟踪闭环控制系统所有信号最终一致有界。以一艘欠驱动船舶为例进行仿真研究,仿真结果验证了所设计的航迹跟踪控制律的有效性和优越性。     

SWATH船纵向运动的分数阶PIλDμ控制

针对小水线面双体船(SWATH)的纵向运动稳定性问题,对某SWATH船设计了一种分数阶PI^λD^μ控制器。首先,在控制器设计过程中,引入ITAE准则获得分数阶PID控制器的优化参数,并以类似方式得到优化参数的最优PID控制器。然后,以SWATH船为研究对象,分别采用分数阶PI^λD^μ控制器和最优PID控制器对其等效Nomoto模型和考虑风浪干扰后的模型进行仿真研究。最后,对它们的控制性能及控制能量消耗进行比对分析。通过分析发现,本文所提出的分数阶PI^λD^μ控制器的控制效果明显优于最优PID控制器,且分数阶PI^λD^μ控制器更为节能。     

船舶航向线性自抗扰积分滑模控制

针对能更加精确地描述船舶动态性能的Bech模型航向控制问题,构造三阶跟踪微分器,对期望航向及其微分进行精确提取,提出了一种基于线性自抗扰的积分滑模航向控制器。该控制器采用线性扩张观测器对实际航向与内外界总扰动进行在线估计与补偿;引入积分滑模面函数,设计非线性误差反馈控制律,加快系统的收敛速度。采用Hurwitz多项式,简化控制器,实现控制器参数化。由仿真结果得出,控制器能快速准确地跟踪到期望航向,对参数摄动与外界干扰具有较强的鲁棒性。该控制器设计结构简单,线性自抗扰与变结构积分滑模面相结合的控制器设计提升了控制品质。     

未知时变扰动和输入饱和下的智能船舶鲁棒非线性控制

复杂海况下环境多变并且船舶具有多耦合、强非线性的特点,针对智能船舶定位控制问题,考虑在未知时变扰动和输入饱和约束之下船舶的定位控制问题,结合非线性扰动观测器提出一种带辅助动态系统的鲁棒非线性控制算法。通过Lyapunov理论证明了所提出的非线性扰动观测器与控制器结合后闭环系统的稳定性和信号的一致最终有界性。利用非线性扰动观测器对环境中存在的海浪扰动进行有效的估计处理。最后,通过仿真验证了所提出的控制算法不仅能保证船舶期望的位置和艏向,而且提高了控制速度,具有较好的控制性能。     

基于多模态快速非奇异终端滑模的船舶航迹跟踪自抗扰控制

为解决欠驱动船舶航迹直线和曲线跟踪控制问题,设计基于多模态快速非奇异终端滑模(Fast Nonsingular Terminal Sliding Mode,FNTSM)的自抗扰控制器(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)。引入ADRC技术,利用跟踪微分器快速提取跟踪期望信号的微分信号,通过可在线性与非线性之间切换的扩张状态观测器实时估计船舶外部和内部的总干扰;将根据多模态思想设计的非奇异终端滑模和一种新型双幂次趋近律引入状态误差反馈环节中,设计基于多模态FNTSM的ADRC控制律,在保证ADRC优点的同时,提高收敛速度和稳态跟踪精度;构造期望艏向角方程,将航迹控制问题转化为易于实现的航向控制问题。Simulink仿真结果表明:利用该控制器的船舶能快速、准确地跟踪期望直线和曲线航迹,说明其具有优良的控制品质。     

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。     

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。     

Robust autopilot with wave filter for ship steering

Research was done to overcome traditional problems associated with automatic steering systems of a ship in a seaway. A ship＇ s dynamic model with wave disturbances was built and a wave filter was designed by means of an extended states observer （ESO）. The model estimated the low frequency motion component from a heading measurement corrupted by colorednoise, so back-and-forth steering caused by high frequency wave disturbances was avoided. At the same time, a robust autopilot system, designed by variable structure control theory, was presented. Simulation results achieved in dangerous sea status show that the wave filter works very well and the autopilot has strong robustness to environmental disturbances and model perturbation, and more importantly, the frequency of rudder adjustments is reduced noticeably.     

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。