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本文采用了分数阶滑模理论和自抗扰控制理论相结合的方法,对船舶航向保持控制和航迹跟踪控制进行研究,旨在解决欠驱动船舶航向航迹控制问题,并提高船舶控制器在航向、航迹控制方面的控制精度,减少系统的超调量,提高系统的抗干扰能力,通过仿真验证可知,所设计的控制器能够实现对目标的快速精确跟踪,抗干扰性好,鲁棒性强。1.船舶航向保持控制器的设计:采用含有非线性项的Norrbin模型精确描述船舶运动性能,利用分数阶微积分算子构造出分数阶滑模面,增加系统稳定性,加快收敛速度;考虑到滑模变结构控制中出现的抖振问题,引入分数阶指数趋近律来减弱抖振现象;结合非线性船舶运动数学模型,设计出具有较强鲁棒性和抗干扰性的分数阶滑模航向保持控制律;针对系统内部不稳定性和外界干扰,采用自抗扰控制算法中的线性扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿,并通过设计线性自抗扰控制算法中的误差反馈控制律,实现自抗扰控制算法与滑模变结构控制算法的结合,得出基于分数阶滑模自抗扰的船舶航向保持控制器,提高了航向保持控制器的控制精度和抗干扰性。2.船舶航迹跟踪控制器的设计:利用双曲正切函数,建立期望船艏向角方程,通过跟踪期望船艏向角,来实现船舶的航迹跟踪控制。在分数阶滑模自抗扰航向控制器的基础上,根据偏差原理对传统线性扩张状态观测器进行改进,提高观测器对内外界总扰动的观测精度,通过构建的期望船艏向方程,设计出改进型自抗扰的分数阶滑模航迹跟踪控制器,并通过现代控制理论中的Lyapunov稳定性原理验证所设计航迹跟踪控制器的稳定性。3.仿真验证:本文以中远集团5446TEU集装箱船为仿真对象。利用simulink工具箱搭建航向保持控制器和航迹跟踪控制器的仿真模块,在无干扰、常值干扰和海浪干扰情况下进行计算机仿真实验,仿真实验验证了本文设计控制器的有效性和先进性。