动力定位船舶的自适应滑模观测器设计

针对含有未知扰动等不确定性的船舶动力定位系统,在系统不确定性不满足匹配条件的情况下,提出了一种自适应滑模观测器的设计方法。首先通过构造辅助输出使匹配条件得以满足,设计高增益观测器估计含有未知变量的辅助输出;接着基于滑模变结构理论对带有辅助输出的新系统进行观测器设计,通常船舶动力定位系统的不确定性上界值未知,采用自适应律调整滑模面增益,保证系统鲁棒性的同时还可避免增益取值过大而造成的抖振问题;然后将观测器增益矩阵的设计转化为求解线性矩阵不等式约束的优化问题;最后通过仿真验证了所提方法的有效性。     

船舶推进感应电机无速度传感器技术研究

将全阶状态观测器技术应用于船舶推进感应电机无速度传感器控制系统中,实现对推进电机转速的实时辨识。以定子电流和转子磁链为状态变量,构建全阶状态观测器。再以全阶状态观测器为可调模型,驱动电机为参考模型,使用模型参考自适应的方法对电机转速进行辨识。针对转速估算系统低速区域不稳定问题,设计出能保证系统在低速时保持稳定的反馈增益矩阵设计准则。在Matlab/Simulink仿真环境下进行仿真。     

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。     

船舶推进感应电机无速度传感器技术研究

将全阶状态观测器技术应用于船舶推进感应电机无速度传感器控制系统中,实现对推进电机转速的实时辨识.以定子电流和转子磁链为状态变量,构建全阶状态观测器.再以全阶状态观测器为可调模型,驱动电机为参考模型,使用模型参考自适应的方法对电机转速进行辨识.针对转速估算系统低速区域不稳定问题,设计出能保证系统在低速时保持稳定的反馈增益矩阵设计准则.在Matlab/Simulink仿真环境下进行仿真.     

基于RBF神经网络的水面船舶轨迹跟踪控制

针对速度矢量不可测、动态参数不确定以及具有未知扰动和磁滞特性的水面船舶系统,提出一种基于径向基函数神经网络的自适应反馈轨迹跟踪控制方案。根据船舶的状态矢量,利用高增益观测器估计水面船舶系统的不可测速度矢量,并通过一个函数描述间隙类磁滞对系统的影响。利用径向基函数神经网络的逼近能力和反步法设计控制器,基于李雅普诺夫稳定性理论,验证所设计控制器的稳定性,证明系统所有的闭环信号都是半全局一致有界的。通过仿真验证了控制器的有效性。     

欠驱动船舶鲁棒路径跟踪控制器设计

针对欠驱动船舶直线路径跟踪控制系统中存在的外界干扰影响,提出一种鲁棒跟踪控制算法.该控制算法基于重定义输出、解析模型预测控制、高增益观测器等技术,使得欠驱动船舶能够渐近镇定于给定的直线参考路径.计算机仿真实验验证了算法的有效性.所提出的控制器具有良好的控制效果以及对外界干扰的鲁棒性.     

解析模型预测控制在欠驱动船舶路径跟踪控制中的研究

从非线性、欠驱动、船舶模型参数易控制的欠驱动船舶路径跟踪入手进行问题研究,采用解析模型预测控制,利用单输入单输出系统,通过对时域上的性能函数求导求得最优控制律;然后利用无干扰情况的船舶模型进行最优控制律的简化;最后通过实验进行验证本文算法与带反馈的线性欠驱动船舶直线路径跟踪控制相比趋于稳定的时间要短,可靠性和收敛性更优。     

Robust adaptive course-keeping control of under-actuated ships with the rudder failure北大核心CSCD

[目的]针对舵机故障、控制增益未知和海洋环境干扰情况下的欠驱动船舶航向保持问题,设计一种考虑舵机故障的船舶鲁棒自适应航向保持控制算法。[方法]通过结合鲁棒神经阻尼技术和自适应方法,对繁重的神经网络权值进行横向压缩,仅需设计2个自适应学习参数对未知增益和舵机故障参数在线补偿,以确保船舶在舵机故障的情况下能够有效执行航向保持任务。通过李雅普诺夫理论,证明所提出的控制器半全局最终一致稳定有界(semi-global uniform and ultimately bounded,SGUUB)。最后以“育鲲”轮为仿真对象,建立非线性Nomoto数学模型,在海洋干扰下进行对比仿真试验验证。[结果]结果表明,在此策略下,“育鲲”轮在舵机故障情况下平均舵角输出比仿真试验中所对比的传统方法降低了51%,可改善航向保持控制效果。[结论]研究结果可为欠驱动船舶的航向保持控制问题提供借鉴。     

网络控制系统的输出反馈保性能控制

研究了一类具有不确定时延的网络控制系统输出反馈保性能控制问题.将时延的不确定性建模为系统状态方程系数矩阵的不确定性,在输出反馈条件下,用状态观测器重构系统状态,将保性能控制问题转化为不确定离散系统的输出反馈鲁棒保性能控制问题.利用Lyapunov理论和矩阵不等式方法,得出了输出反馈保性能控制律的设计方法.仿真算例说明了设计方法的有效性.     

基于解析模型预测控制的欠驱动船舶路径跟踪控制器设计

针对欠驱动船舶路径跟踪控制系统中存在风、浪、流等外界干扰的影响,将船舶运动模型转化到Serret-Frenet标架下进行研究,通过引入重定义输出将原单输入多输出控制系统转化为单输入单输出控制系统,并将解析模型预测控制与非线性观测器相结合,提出一种鲁棒路径跟踪控制算法。该算法能够使欠驱动船舶跟踪并镇定于给定的参考路径。计算机仿真结果表明,所提出的控制器具有良好的控制性能以及鲁棒性能。     

欠驱动无人艇的全局时变反馈镇定控制

欠驱动水面船舶的镇定控制大多采用切换控制的方法,对该问题的研究普遍存在需要角速度持续激励的问题,时变控制可以有效解决该问题,但时变系统存在构造李雅普洛夫函数的困难,为此提出了一种时变状态变换,并基于反步法构造了该系统的李雅普洛夫函数,从而设计了一种全局时变反馈镇定控制器,取消了对初始条件角速度不能为零的约束。仿真结果验证了所提出方法的有效性。     

The stabilization control of underactuated surface vessels

The problem of stabilization control of underactuated surface vessels with two independent control inputs is in vestigated inthis paper. Through transformation, a cascade property of the system is revealed. And the original nonlinear system could be divided into two subsystems: a linear subsystem and a nonlinear subsystem. The stabilization laws are derived for the two subsystems separately. A smooth time - varying feedback stabilization law with exponentially convergence rate is obtained. The proposed stabilization law guarantees all the system states converge to the equilibrium exponentially. The aim of stabilization control of underactuated surface vessels is achieved. At last, the effectiveness of the proposed algorithm is illustrated by simulation tests.     

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.     

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。     

带不确定动态的欠驱动水面船舶鲁棒自适应路径跟踪控制(英文)

A robust adaptive control strategy was developed to force an underactuated surface vessel to follow a reference path,despite the presence of uncertain parameters and unstructured uncertainties including exogenous disturbances and measurement noise.The reference path can be a curve or a straight line.The proposed controller was designed by using Lyapunov’s direct method and sliding mode control and backstepping techniques.Because the sway axis of the vessel was not directly actuated,two sliding surfaces were introduced,the first one in terms of the surge motion tracking errors and the second one for the yaw motion tracking errors.The adaptive control law guaranteed the uniform ultimate boundedness of the tracking errors.Numerical simulation results were provided to validate the effectiveness of the proposed controller for path following of underactuated surface vessels.     

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...