船舶航向非線性系統(tǒng)自抗擾控制器的仿真研究.pdf

1、船舶航向控制器的設(shè)計(jì)一直是船舶運(yùn)動控制重要的研究課題之一，它與船舶航行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性密切相關(guān)。由于船舶的動態(tài)具有大慣性、大時(shí)滯、非線性等特點(diǎn)，并且受模型參數(shù)攝動以及船舶運(yùn)動中風(fēng)、浪、流等外界干擾的影響，使得控制器的設(shè)計(jì)成為一個(gè)復(fù)雜的問題。 自抗擾控制(ADRC)技術(shù)是由韓京清研究員及其團(tuán)隊(duì)十幾年來創(chuàng)立的一種新的非線性控制方法。該方法不依賴于對象模型，將被控對象中的內(nèi)部動態(tài)和外部干擾綜合為系統(tǒng)所受的未知干擾，通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張

2、狀態(tài)觀測器(ESO)對其進(jìn)行總體的實(shí)時(shí)估計(jì)，并在反饋中合理引用非線性特性來提高系統(tǒng)的魯棒能力。目前ADRC已在電機(jī)控制、機(jī)器人控制、飛行器控制等領(lǐng)域的一些實(shí)際問題中得到了成功應(yīng)用。本文將ADRC用于船舶航向控制，并進(jìn)行了仿真研究。 本文首先分析了傳統(tǒng)PID控制方法的不足，介紹了跟蹤微分器(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)、非線性狀態(tài)誤差反饋(NLSEF)和自抗擾控制器的基本原理，給出了自抗擾控制器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。 研究了船舶

3、操縱基本原理和航向運(yùn)動特性，建立了帶有舵機(jī)約束的響應(yīng)型非線性船舶運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，分析了船舶受到的環(huán)境干擾，并建立了風(fēng)、浪、流干擾的數(shù)學(xué)模型。 重點(diǎn)對船舶航向自抗擾控制方法進(jìn)行了研究：將船舶航向運(yùn)動系統(tǒng)看作舵機(jī)機(jī)構(gòu)和船舶運(yùn)動系統(tǒng)的串聯(lián)，給出了系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖；討論了兩種船舶航向自抗擾控制器的設(shè)計(jì)方案，使用二階ADRC設(shè)計(jì)了船舶航向運(yùn)動自抗擾控制器；采用s函數(shù)實(shí)現(xiàn)了ADRC控制算法，搭建了船舶航向運(yùn)動自抗擾控制仿真平臺；總結(jié)了船舶航向自

4、抗擾控制器的參數(shù)整定方法。 對船舶航向自抗擾控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，與經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的PID控制相比，基于ADRC的船舶航向控制系統(tǒng)在大角度航向切換、航向保持、外界干擾、參數(shù)攝動、模型改變等條件下均具有良好的控制效果，具有很好的魯棒性和抗干擾能力。 最后，針對仿真中自抗擾控制在小角度航向切換時(shí)響應(yīng)速度慢的問題，對控制器進(jìn)行了改進(jìn)，對下一步工作進(jìn)行了展望。 本文希望通過對自抗擾控制在航向運(yùn)動控制中的研究，進(jìn)