欠驱动水面船舶滑模运动控制研究

目前海上运行的大多数的船舶仅仅配备螺旋前向推进器和舵机，以此进行水平面三个自由度的运动控制，由于其仅具有两个独立的控制输入，因而在本质上属于一种欠驱动系统的控制问题。.本项目基于三自由度水面船舶的非线性模型，研究存在风、浪、流慢变干扰的欠驱动船舶动态轨迹跟踪控制问题。在将船舶的动态特性分解为位置和首向角两个部分并在存在慢变干扰的情况下，对欠驱动船舶位置的动态跟踪提出一种分层滑模控制方法。并进一步利用高阶分层滑模控制设计方法，推导出船舶的欠驱动反馈控制律，实现欠驱动船舶的有效控制并解决滑模控制抖动问题。针对欠驱动船舶的动态定位问题，研究在对欠驱动船舶的动态方程进行全局的坐标变换和反馈变换基础上，分析变换后的系统的两个子系统的特性，利用滑模控制设计方法，一致设计两个子系统的统一稳定反馈控制律，使得各子系统保持同步在原点渐近，从而通过非连续的反馈控制方法解决欠驱动船舶的动态定位问题

按研究计划，课题组基于常用船舶运动模型，建立了适用于本课题的水面船舶运动学与动力学模型。并通过适当的假设与条件简化，对常用的水面船舶运动模型进行了初步的分析与研究。由此，针对欠驱动水面船舶的镇定控制问题，开展了船舶从任意初始位置行驶并停靠在指定的位置并艏向保持在稳定航向的控制算法研究，实现了船舶位置和姿态的同步控制目标。. 进而，考虑到欠驱动水面艇系统本身是一个具有状态强耦合和本质非线性的欠驱动系统，要实现多状态的同步精准控制并非易事。同时注意到船舶安全航行的约束会进一步加剧了系统的非线性，更增加了算法设计的难度。为实现欠驱动水面船舶的镇定控制，本部分采用分层滑模控制原理，对欠驱动水面船舶的动态系统进行分别设计，提出一种两级滑模变换方式，对系统中的非完整部分进行控制,最终实现了欠驱动水面艇的全局渐近镇定控制。.在上述研究的基础上，课题组进一步将镇定控制问题转化为误差动态系统的控制问题。通过将欠驱动水面船舶动态特性分解为位置和首向角两个部分，并在考虑存在各种外界慢变干扰的情况下，研究了船舶位置的动态跟踪的分层滑模控制方法。实现了在考虑风、浪、流等外界干扰情况下的航迹跟踪控制，并通过设定不同的干扰证明了系统的鲁棒性能。. 接下来，课题组采用了较为常见的微分同胚变换方法，并基于齐次滑模控制理论进行了控制器设计并通过仿真验证了有效性。并基于齐次控制原理与高阶滑模控制方法，课题组研究了不同的高阶滑模控制算法对本项目研究对象的适用性。通过对欠驱动船舶运动模型的变换与分析，基于非线性李代数原理对该模型进行了相对阶分析与高阶滑模的适用性研究，由此采用准连续齐次滑模变换与二阶（三阶）滑模控制方法开展深入工作，分别设计了二种控制器并进行了稳定性分析与仿真验证。同时研究了附带执行器的欠驱动水面船舶高阶滑模控制方法，尝试研究了减轻控制器抖振并改善控制效果的方法。. 最后，在前述研究成果的基础上，课题组利用改进的齐次高阶滑模控制理论方法，在考虑存在控制器特性的情况下，针对控制输入的高阶导数开展控制器设计，一致设计两个子系统的统一稳定反馈控制律，在改善控制输入抖振问题的同时实现了各子系统保持同步在原点渐近稳定，解决了欠驱动水面船舶的非连续反馈控制问题。