欠驱动船舶直线航迹的滑模控制方法

针对一类欠驱动水面船舶的直线航迹跟踪控制问题,考虑运动响应模型的建模误差和外界干扰力等非匹配不确定性影响,基于滑模控制理论和Backstepping法,提出了一种反步自适应滑模控制律.借鉴Backstepping法的设计思想,利用一种改进积分型的滑模控制方法和自适应技术,设计了直线航迹跟踪控制的滑模控制律,并证明该控制律保证了航迹跟踪系统的全局渐进稳定性.最后,仿真对比结果验证了所提出控制器的有效性.     

基于动态非线性滑动模态的欠驱动船舶直线航迹控制

针对带有状态变量和控制输入约束条件以及横向漂移的欠驱动船舶,设计了直线航迹控制算法,通过对系统输出进行动态非线性滑模分解迭代设计,将单输入多输出的控制问题转化为标量零阶系统的镇定问题,并利用增量反馈控制,无需对不确定模型参数或风、流干扰进行估计,能够同时稳定船舶的航向和航迹。应用"育龙"轮的非线性水动力模型进行了仿真,结果表明,控制器对系统参数摄动及外界干扰不敏感,具有强的鲁棒性,且其设计参数物理意义明显、易于调节。     

欠驱动水面船舶航迹跟踪自抗扰控制

为实现欠驱动水面船舶在内部动态不确定和外界风流干扰情况下的航迹跟踪控制,首先构造能够使航迹偏差收敛的船首向角的跟踪方程,然后将航迹控制转化为实际船首向跟踪期望船首向的航向控制问题.应用自抗扰控制技术设计自抗扰航迹跟踪控制器,解决了恒定风流干扰造成的船舶横漂问题.应用非线性水动力模型进行仿真,结果表明,控制器能够实现欠驱动船舶对直线和曲线路径的精确跟踪,且具有较强的鲁棒性.     

基于变结构自抗扰的欠驱动水面船舶航迹保持控制

针对受内部动态不确定和外界风流影响下的欠驱动水面船舶直线航迹保持问题,将变结构控制引入非线性自抗扰控制器中,在保证原控制器优点的同时,大大减少了需要整定的参数.同时构造降维方程,使航迹控制问题转变为简单的跟踪参考航向问题.仿真结果表明,新控制器具有较好的控制效果,可使船舶对直线航迹精确跟踪,且具有较强的鲁棒性.     

基于滑模反演的欠驱动水面无人艇航向控制

欠驱动无人艇作为一种水上重要的工作平台,其应用范围非常广泛。针对一种欠驱动水面无人艇的运动控制进行研究,首先分别建立其运动学和考虑了风浪干扰的动力学模型,得出了非线性状态空间模型;然后采用基于指数滑模面的滑模和反演相结合的控制算法设计其航向控制器;最后通过仿真和实物实验验证了设计的动力学方程和控制算法的有效性。     

基于LOS导航的欠驱动船舶滑模控制

考虑存在外界随机海浪干扰和模型参数不确定的欠驱动船舶非线性运动模型,提出一种基于可视距(LOS)导航的滑模控制器。通过设计切换面克服参数不确定以及波浪扰动对反馈控制带来的困难,并在滑模控制的基础上引入低通滤波器,消除因扰动和滑模切换面自身引起的横漂速度和艏摇速度的高频振荡,实现速度的光滑控制。利用李亚普诺夫理论对控制算法的稳定性进行证明,并进行一艘单体船的数值仿真实验。研究结果表明:所设计的控制器是有效的,且具有良好的鲁棒性。     

基于非奇异终端滑模的欠驱动UUV航迹跟踪控制

针对欠驱动UUV在模型参数数摄动以及未知恒定海流(对控制器而言)干扰下的水平面直线航迹跟踪控制问题,提出了一种基于非奇异终端滑模的航迹跟踪控制控制策略。首先,利用离散航迹点,规划出期望航迹;然后,基于视线法(LOS)以及Serret-Frenet坐标系,建立起航迹跟踪制导律;进而,将航迹跟踪控制问题转化为航向角的镇定问题。利用非奇异终端滑模控制方法,设计出全局有限时间收敛的动力学控制器。仿真实验结果表明:该跟踪控制策略可以精确地执行水平面直线航迹跟踪任务;对于模型参数摄动以及未知恒定海流,所设计的控制策略具有强鲁棒性。     

存在饱和输入量的欠驱动船舶编队控制

研究了常规欠驱动船舶编队路径跟踪的一致性控制问题,设计了一个分散式控制器.结合反步法、虚拟结构法及李雅普诺夫理论,使设计的控制器不仅形式简单,而且具有良好的稳定性和全局收敛性,能有效实现欠驱动状态下船舶横向速度及位移的快速镇定.在此基础上引入一致性控制的思想,解决在输入量饱和情况下编队队形失效的问题,达到协调各船保持期望队形的目的.通过三艘船的仿真,对所设计控制器的正确性及有效性进行了验证.     

基于非线性模型预测的欠驱动船舶轨迹跟踪控制研究

针对欠驱动船舶轨迹跟踪控制系统具有非线性、大惯性、时滞、局部线性不可控等特点,结合扩展卡尔曼滤波器和序列二次规划算法,设计了基于非线性模型预测的船舶轨迹跟踪控制策略.首先,设计了具有一定复杂度的参考轨迹,用于测试船舶的各种工况及工况切换情况.其次,应用船舶欠驱动三自由度运动控制模型与所设计的参考轨迹建立了非线性约束优化问题的目标函数,采用序列二次规划算法进行优化求解,并在扩展卡尔曼滤波器中对测量函数的雅可比矩阵进行了预求解以减少算法计算量.最后,通过对一艘运输船进行仿真试验,验证了所设计轨迹跟踪控制器的有效性和实时性.     

欠驱动船舶RBF神经网络路径自适应跟踪控制

针对模型参数未知和存在外界干扰的三自由度欠驱动水面船舶路径跟踪控制问题,提出一种RBF神经网络控制器.该算法利用神经网络的函数逼近特性对船舶模型未知的非线性部分在线逼近并与反步法相结合进行设计,同时实现前进速度在线可调.通过Lyapunov稳定性方法分析验证了闭环系统的稳定性.仿真计算验证了该控制策略的有效性.     

基于自适应输出反馈的船舶航向控制

针对复杂海情下的航向跟踪问题,提出基于神经网络的自适应输出反馈控制方法.利用Lyapunov稳定性理论,证明了该控制设计方法的稳定性.为克服航向角速度难以测量的问题,应用线性观测器进行状态估计,并结合神经网络拟合了复杂海况下的水动力不确定参数.为增强控制器的鲁棒性,对所设计的控制器进行了重新修正,使其具有更好的抗干扰能力.以一艘货船为例,进行了航向在10°和—10°间连续改变的仿真实验,结果表明设计的控制器具有船舶操纵的良好动态性能,且具有无超调、鲁棒性强的优点.     

基于模糊航向制导的AUV航迹控制方法研究

提出了基于模糊航向制导的水下机器人间接航迹控制方法，航向制导环采用模糊算法进行最优艏向实时解算，再以此艏向作为期望航向进行航向控制；为提高系统的鲁棒性和自适应性能，航向控制环采用滑模控制器，最终实现AUV的航迹跟踪，最后，根据此方法进行了航迹跟踪试验，结果表明模糊艏向解算器的航迹控制精度要大大高于PID艏向解算器，并且设计方法易于理解，便于工程设计和应用。     

基于滤波技术的船舶航向控制研究

当海况较高时,海浪干扰力矩远大于船舵控制力矩,通过操舵很难减小航向偏离幅度,导致无效操舵次数增加。本文采用航向滤波的方法对航向信号进行处理,滤除海浪干扰主值频段对航向控制系统的影响,减少航向控制系统对海浪干扰主值频段的响应,从而减少无效操舵,降低舵机能量消耗和磨损。     

基于航迹误差预测模型的船舶自适应控制

为提高船舶控制精度,根据船舶航迹、航向、航速、舵角特性和历史数据,采用卡尔曼滤波进行误差预测估计,利用反传多层感知器自适应网络建立船舶航迹误差预测模型,并采用舵角、航向、航迹三层串级回路系统结构,完成自动舵控制功能.在风浪干扰、改变船舶模型的回转性指数、追随性指数、延迟因子和积分因子情况下,该系统以较少的舵角动作迅速收敛,减小了航迹的波动幅度和次数,使船舶航迹与预定航线更加拟合.仿真结果表明,在模型失配情况下,该系统仍可保持稳定的输出和光滑的控制作用,具有较好的鲁棒稳定性和良好的动态调节品质.     

船舶航向保持的PID控制

针对船舶在海上航行时存在着航向偏离理想直航线的问题，确定了保持船舶航向稳定性的性能指标，并采用PID控制方法保持船舶航向的稳定性．仿真结果表明该方法是有效的．     

船舶航向控制仿真器的研制

介绍了船舶航向控制仿真器的作用和功能特点,简述了船舶航向控制仿真器的基本原理及PLC实现的基本方法。该船舶航向控制仿真器能够满足IMO和国家海事局规定的驾驶员和值班水手培训任务的需要,提高远洋船舶驾驶员的船舶操纵能力。     

基于积分Backstepping的船舶航向非线性滑模控制

设计一种基于积分Backstepping的船舶航向非线性滑模控制器,实现船舶在大幅度改向操纵运动中航向准确快速跟踪控制.在采用Bech船舶操纵运动数学模型精确描述船舶大幅度改向运动性能的基础上,利用反演法设计航向改变控制算法,引入积分控制环节消除模型参数不确定性和风、浪、流等干扰影响,借助Lyapunov稳定性定理证明控制系统渐近稳定.对实船的仿真对比可知,本文设计的船舶航向控制器性能优越,控制舵角合理,控制输出航向对本船参数摄动及外界干扰不敏感,具有较强的鲁棒性.     

基于滤波反步法的船舶航向跟踪控制

针对存在不确定性的非线性船舶航向运动数学模型,将反步算法和command filter technique相结合,提出一种新的非线性神经网络自适应控制器设计方法.基于Lyapunov稳定性分析理论,采用command filter technique消除传统反步法中存在的计算爆炸问题,同时将神经网络权值的范数作为估计参数,以减少控制器的计算负担,便于工程实现和应用.所设计的非线性自适应神经网络控制器使船舶航向控制系统中所有信号一致有界,航向误差收敛于零.仿真结果验证了该算法的有效性.     

欠驱动船舶运动的非连续变参数镇定控制

为解决欠驱动船舶在风浪干扰下不同距离镇定控制及镇定参数优化问题,设计了非连续变参数控制算法.借助微分同胚变换及控制输入变换,将欠驱动船舶运动学及动力学模型转化为具有反馈链式级联形式的两个子系统,基于backstepping技术分别设计了反馈控制率.Lyapunov直接法证明该控制策略可使闭环系统所有信号全局一致渐进稳定.对干扰进行了Lyapunov补偿,得到原系统具有收敛参数可调的非连续反馈控制率.仿真结果表明,控制器对外界干扰具有鲁棒性;可以通过参数优化实现船舶不同距离镇定,并达到不同状态约束要求.     

基于DVS制导算法的欠驱动船舶路径跟踪指令滤波滑模控制

针对欠驱动水面船舶在模型参数不确定和未知风浪流扰动情况下的路径跟踪问题,提出一种改进的动态虚拟小船(dynamical virtual ship,DVS)制导算法,并采用指令滤波反推法设计模型运动学回路的前进速度和艏摇角速度的虚拟控制律,进而将船舶路径跟踪问题转化为前进速度误差和艏摇角速度误差的镇定问题,在模型动力学回路上采用PI积分滑模控制方法设计实际控制律.该控制策略能够减少和避免因对虚拟控制律求导而造成的计算负担和高频噪声对系统的影响,且对模型参数不确定和未知扰动具有鲁棒性.仿真实验表明,该控制策略可实现船舶在模型参数不确定和未知风浪流扰动下对规划路径的精确跟踪.