基于Backstepping的船舶運(yùn)動非線性自適應(yīng)魯棒控制.pdf

1、H∞魯棒控制作為一種能夠處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)參數(shù)存在不確定性問題的有效方法，其非常適于在船舶運(yùn)動控制領(lǐng)域中加以應(yīng)用和推廣。特別是閉環(huán)增益成形算法作為一種H∞魯棒控制在實(shí)際工程中的應(yīng)用簡化，是一種簡捷、有效地處理帶有不確定性的船舶運(yùn)動控制問題的魯棒控制算法。但因其不能獨(dú)立地針對非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，所以本文分別將SISO系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)閉環(huán)增益成形算法與Backstepping方法相融合，并通過Lyapunov穩(wěn)定性理論和線性穩(wěn)定性理

2、論首次論證了兩種算法相融合的合理性和實(shí)用性，進(jìn)一步夯實(shí)了這兩種算法融合使用的理論基礎(chǔ)。同時將該研究成果分別應(yīng)用于船舶航向保持系統(tǒng)、船舶減搖鰭控制系統(tǒng)和船舶舵鰭聯(lián)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，取得了一些理論成果，研究結(jié)果具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。主要研究工作簡述如下：
　　 針對船舶航向保持系統(tǒng)中，傳統(tǒng)Backstepping方法因不確定恒值干擾易產(chǎn)生靜差及控制器參數(shù)整定過于復(fù)雜等問題，首先將SISO系統(tǒng)閉環(huán)增益成形算法與帶積分項(xiàng)的Backs

3、tepping方法相融合，提出了一種帶有積分功能的船舶航向保持非線性魯棒控制器設(shè)計(jì)方案，并通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果論證了該方案的合理性。然后，考慮到船舶航向控制系統(tǒng)中的不確定性參數(shù)變化、外界干擾、各種非線性因素的影響以及傳統(tǒng)魯棒設(shè)計(jì)方法存在保守性的問題，本文提出將自適應(yīng)Backstepping算法與閉環(huán)增益成形算法相融合，在此基礎(chǔ)上提出一種全新的非線性自適應(yīng)魯棒算法，最后將該算法應(yīng)用于船舶航向保持控制器設(shè)計(jì)中，并在考慮了風(fēng)、浪干擾的

4、情況下進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的有效性。
　　 由于船舶的橫搖阻尼通常較小，為了防止船舶發(fā)生傾覆的危險，增加人員的舒適程度，減搖鰭作為目前減搖效果最好，使用最為廣泛的船舶減搖設(shè)備，開發(fā)適合船舶非線性動態(tài)特性、魯棒性強(qiáng)的減搖結(jié)控制器具有十分重要的意義。特別是大連海事大學(xué)的科研實(shí)習(xí)船“育鯤”輪，為了能夠讓先進(jìn)的船載科研儀器以較高的效率運(yùn)行，采用傳統(tǒng)的線性減搖鰭控制器很難滿足其要求，因此需要設(shè)計(jì)出一種減搖效果更好、魯棒性更強(qiáng)的

5、非線性控制器。本文首先對“育鯤”輪的非線性橫搖數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了深入研究，并同樣將SISO系統(tǒng)閉環(huán)增益成形算法和Backstepping相融合，分別提出了非線性減搖鰭控制器和非線性自適應(yīng)減搖鰭控制器設(shè)計(jì)方案，并通過對科研實(shí)習(xí)船“育鯤”輪的仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所提出的控制器的有效性，最后得出一些相關(guān)的重要結(jié)論。
　　 舵鰭聯(lián)合控制是在減搖鰭減搖和舵減搖基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型減搖裝置，它能在保證航向保持控制精度的同時提高船舶的減搖效果。本文

6、首先針對某輪的舵鰭聯(lián)合系統(tǒng)線性數(shù)學(xué)模型，建立了一種僅航向保持具有非線性的舵鰭聯(lián)合系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，并通過Backstepping方法與MIMO閉環(huán)增益成形算法相融合，提出了一種針對舵鰭聯(lián)合系統(tǒng)的非線性魯棒控制器，并通過理論推導(dǎo)與仿真實(shí)驗(yàn)論證了該控制器的有效性。然后在對現(xiàn)有通用的舵鰭聯(lián)合系統(tǒng)模型進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，針對Backstepping算法在使用方面的一些限制，在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時對通用模型進(jìn)行了簡化，使之符合Backsteppi