【摘 要】
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针对欠驱动船舶路径跟踪中所存有的模型不确定﹑外界环境干扰﹑速度不易获取﹑运动惯性较大﹑舵角需约束及优化等问题,利用模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）和观测器技术设计出三种控制方案。其中,（1）MPC路径跟踪控制:建立MPC路径控制器,直接根据路径预测偏差计算输入舵角;（2）结合Line of Sight（LOS）的MPC路径跟踪控制:首先采用LOS制导技术设计
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针对欠驱动船舶路径跟踪中所存有的模型不确定﹑外界环境干扰﹑速度不易获取﹑运动惯性较大﹑舵角需约束及优化等问题,利用模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）和观测器技术设计出三种控制方案。其中,（1）MPC路径跟踪控制:建立MPC路径控制器,直接根据路径预测偏差计算输入舵角;（2）结合Line of Sight（LOS）的MPC路径跟踪控制:首先采用LOS制导技术设计参考艏向角,将路径跟踪转化为艏向控制。其次建立MPC艏向控制器,间接根据艏向预测偏差计算舵角;（3）结合Backstepping的MPC路径跟踪控制:先利用Backstepping算法设计参考艏向角,再利用MPC艏向控制器计算舵角。本文主要创新点在以下几个方面:（1）将控制误差与输入舵角置于MPC优化函数内,通过调节权重可简捷地平衡舵角性能和跟踪性能之间关系;并在限制条件下求解该函数,可对舵幅与舵速进行约束。（2）建立多种结构简单且参数量少的状态观测器,仅需位置信息,便可对控制器所需的船舶速度值和包含模型不确定与外界干扰的总未知项进行估计。并通过预测未来估计误差,利用遗传算法对扩张状态观测器在线调参,可提高估计性能。（3）在参考定点附近根据船长和转向角大小,分别设计可变接受圆半径和虚拟圆弧路径,可缓解转向点处因船舶惯性较大和路径偏差突变,而导致跟踪性能降低和舵角剧增问题。最后,相应仿真实验表明:所设计控制器在速度状态和风浪流干扰都未知的情况下,仍能使船成功地跟踪上参考路径,舵角小并平滑。而MPC控制性能、观测器估计性能以及路径跟踪性能均可被提高。这些结果验证了所提三种控制方案的有效性。
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