论文部分内容阅读
船舶在海面航行,航速、船舶载重以及吃水等情况的变化会使得船舶运动产生明显的不确定性,同时,其本身是非线性的,惯性较大,航向航迹控制存在一定的延迟性。因此,研究鲁棒性好、调节时间短、实践简便的非线性船舶航向、航迹自动舵控制算法对提升自动舵的性能具有非常重要的意义。本文针对船舶运动控制中的航向和航迹跟踪控制问题,综合考虑实际航行中的干扰因素、数学模型的非线性以及舵机特性,将反步控制与滑模变结构控制相结合,并加入扩张状态观测器,设计鲁棒性强、准确度高的船舶航向与航迹自动舵,通过仿真实验证明,所设计的控制器能够准确跟踪给定的航向与航迹,具有较强的抗扰动能力。具体所做工作如下:1.航向自动舵设计:采用Norrbin非线性响应模型并结合舵机响应模型,建立船舶航向自动舵控制系统的二阶非线性数学模型,优化反步控制,加入一阶滤波器过滤虚拟控制量,避免反步法中产生的“项数膨胀”问题,在反步法的最后一步,引入了非奇异终端滑动面(Non-Singular Terminal Sliding Mode,NTSM),设计了船舶航向控制律,以提高系统的收敛速度,消除稳态误差,借鉴自抗扰控制技术的思想,设计扩张状态观测器(Extended state observer,ESO),对系统所受的外界扰动和模型不确定项进行实时观测和估计,并补偿到控制律当中,设计基于ESO的反步非奇异终端滑模(Backstepping Non-Singular Terminal Sliding Mode,BNTSM)航向自动舵。2.航迹自动舵设计:对于受到外部扰动的欠驱动船舶的航迹控制问题,利用双曲正切函数的特性,建立能够将船舶航向和航迹位置偏差相联系的期望艏向角方程,基于航向设计间接航迹跟控制器。在航向控制器的基础上,优化滑模面,引入非奇异快速终端滑模面,又称快速终端滑模(Fast Terminal Sliding Mode,FTSM),并结合终端吸引连续趋近律,设计基于ESO的反步非奇异快速终端滑模(Backstepping Fast Terminal Sliding Mode,BFTSM)航迹自动舵,提高系统的动态性能和鲁棒性,解决固有的抖振问题。3.仿真验证:本文利用Matlab中的Simulink分别进行了定航向保持、变航向跟踪、直线航迹跟踪、曲线航迹跟踪的仿真实验,并对模型加入了不同程度的干扰,结果表明,基于ESO的反步滑模航向和航迹自动舵能够在不同的外界干扰下快速、准确地进行航向和航迹的跟踪,且航向变化无超调,舵角变化平稳,施舵合理,系统鲁棒性较强,准确度较高。