欠驅動水面船舶鎮(zhèn)定控制研究.pdf

1、機械系統(tǒng)的欠驅動特性是指系統(tǒng)控制輸入向量空間的維數(shù)小于系統(tǒng)廣義坐標向量空間維數(shù)的情況。對欠驅動系統(tǒng)的研究，不僅可以降低系統(tǒng)的費用及重量，而且可以降低因部分元件發(fā)生故障而對系統(tǒng)整體性能的影響。因此，近幾年對欠驅動機械系統(tǒng)的控制研究得到格外關注。 本研究以常規(guī)水面船舶為研究對象，指出其在特定的控制要求下，系統(tǒng)具有欠驅動特性，并且針對欠驅動船舶鎮(zhèn)定控制問題進行了研究。建立了船舶運動的動態(tài)數(shù)學模型，并推導出簡化的三自由度欠驅動船舶數(shù)學模

2、型。分析了該系統(tǒng)的非完整特性、平衡點特性以及小時間可控性。針對欠驅動船舶系統(tǒng)的小時間可控性的特點，設計非連續(xù)切換控制器，將系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)。對其中一個子系統(tǒng)，通過在子系統(tǒng)中增加附加收斂控制項，控制子系統(tǒng)的收斂速率，獲得具有指數(shù)收斂速率的時變光滑反饋鎮(zhèn)定律，對于另一個子系統(tǒng)，用非線性滑模的思想，通過切換控制使得兩個子系統(tǒng)先后穩(wěn)定，從而達到整個系統(tǒng)的鎮(zhèn)定。 本文設計的另一種欠驅動水面船舶鎮(zhèn)定控制器是基于Backstepping方法

3、和級聯(lián)系統(tǒng)的特點，把欠驅動船舶系統(tǒng)數(shù)學模型分成兩個通過積分串聯(lián)起來的子系統(tǒng)，提出一種光滑時變周期狀態(tài)反饋控制律，從而使得三自由度欠驅動水面船舶全局一致漸近穩(wěn)定到原點。欠驅動船舶鎮(zhèn)定控制問題中應用的主要方法有σ變換法、齊次法、反步法等。運用Simulink分別對所提出的控制器以及σ變換法、齊次法進行仿真，對比仿真結果，驗證本文所設計的控制器可以使得系統(tǒng)的各狀態(tài)收斂于原點且控制效果比較理想，其中設計的基于Backstepping的周期時變反