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基于反馈线性化的AUV近水面航向鲁棒控制研究

作　者: 程相勤
导　师: 严浙平
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 自主式水下航行器 航向控制 非线性鲁棒控制 反馈线性化
分类号: U664.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 170次
引　用: 3次
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内容摘要


AUV（自主式水下航行器）是一个典型的具有非线性、耦合性和运动模型水动力不确定性的系统。AUV在近水面航行时,复杂的海流、海浪干扰将使其精确航向控制更加困难。本文为提高AUV航向控制的精确性、鲁棒性和稳定性,对非线性系统状态反馈精确线性化方法和非线性鲁棒控制理论,以及它们在AUV航向控制系统中的应用进行了深入的分析和研究。首先,针对基于泰勒级数展开而建立的航向控制系统线性模型会带来系统误差的问题,依据AUV空间六自由度运动模型,建立了AUV航向控制系统非线性模型,以及在海流、海浪干扰环境下包含系统模型参数不确定性的AUV航向控制系统模型。其次,为降低AUV航向控制系统模型的非线性程度,研究基于微分几何理论的状态反馈线性化方法,分析了状态反馈精确线性化的充要条件;考虑系统的不确定性,给出了匹配条件和扩展匹配条件下的微分几何表达形式;为解决具有不确定性的AUV航向控制问题,引入鲁棒线性化的概念。再次,为提高AUV航向控制系统抑制海流、海浪等环境干扰的能力,对非线性鲁棒控制理论在航向控制中的应用进行了分析和研究。基于Hamilton-Jacobi-Issacs（HJI）不等式给出了闭环系统渐近稳定且L2增益有限的状态反馈设计算法:考虑到HJI不等式的求解难度,将所得的结果转化为非线性矩阵不等式（NLMI）求解;进一步得到AUV基于状态反馈线性化的非线性鲁棒航向控制器。最后,针对本文所设计的非线性鲁棒航向控制器,应用到AUV虚拟仿真平台,得到在不同仿真环境下的AUV航向控制曲线。所得仿真结果与标准H∞鲁棒控制器下的仿真结果比较,充分验证了非线性鲁棒航向控制器在一定程度上提高了AUV的动态特性和鲁棒性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-22
  1.1 课题研究的背景和意义  11-12
  1.2 AUV航向控制技术研究主要理论方法  12-18
    1.2.1 PID控制方法  12-13
    1.2.2 自适应控制方法  13
    1.2.3 滑模变结构控制方法  13-14
    1.2.4 鲁棒控制方法  14-15
    1.2.5 智能控制方法  15-18
  1.3 本文的研究主要思路及方法  18-20
    1.3.1 非线性系统状态反馈线性化  18-19
    1.3.2 非线性系统鲁棒控制方法  19-20
  1.4 本文研究的主要内容  20-22
第2章 AUV航向控制系统建模  22-34
  2.1 引言  22
  2.2 AUV航向控制系统模型的组成及工作原理  22-23
  2.3 AUV操纵运动方程  23-29
    2.3.1 坐标系与运动学变量  23-25
    2.3.2 AUV水平面操纵运动方程的建立  25-29
    2.3.3 AUV方向舵数学模型  29
  2.4 海洋环境干扰模型  29-31
    2.4.1 海流干扰模型  29-30
    2.4.2 海浪干扰模型  30-31
  2.5 AUV航向控制系统的数学模型  31-33
    2.5.1 AUV航向控制系统理想模型  31-32
    2.5.2 含有不确定性的 AUV航向控制系统模型  32-33
  2.6 本章小节  33-34
第3章 非线性系统状态反馈线性化  34-49
  3.1 引言  34
  3.2 微分几何基本概念和定理  34-38
    3.2.1 欧氏空间中的光滑映射和光滑流形  34-35
    3.2.2 切空间和向量场  35-36
    3.2.3 李导数和李积  36-37
    3.2.4 分布和 Frobenius定理  37-38
  3.3 非线性系统状态反馈精确线性化  38-41
    3.3.1 坐标变换与微分同胚  38
    3.3.2 相对阶  38-39
    3.3.3 状态反馈精确线性化的充要条件  39
    3.3.4 状态反馈精确线性化的基本方法  39-41
  3.4 系统模型不确定性描述及匹配条件  41-42
  3.5 可线性化的非线性系统族  42-44
  3.6 AUV航向控制系统模型线性化  44-48
  3.7 本章小结  48-49
第4章 AUV航向控制的非线性鲁棒控制技术  49-73
  4.1 引言  49
  4.2 非线性鲁棒控制理论的发展简述  49-50
  4.3 非线性系统鲁棒控制基础  50-56
    4.3.1 无源性与稳定性  50-52
    4.3.2 耗散性原理  52-54
    4.3.3 L_2增益与HJI不等式  54-56
  4.4 非线性系统鲁棒控制问题  56-57
  4.5 非线性系统状态反馈鲁棒控制  57-64
    4.5.1 基于HJI不等式的鲁棒干扰抑制  57-60
    4.5.2 基于HJI不等式的状态反馈解  60-63
    4.5.3 非线性矩阵不等式  63-64
  4.6 不确定非线性系统的鲁棒控制  64-67
  4.7 AUV航向控制系统鲁棒控制器设计  67-71
  4.8 本章小结  71-73
第5章 AUV航向控制及仿真  73-86
  5.1 引言  73
  5.2 AUV湖试中航向控制性能分析  73-75
    5.2.1 AUV低速状况下航向控制曲线  73-74
    5.2.2 AUV高速状况下航向控制曲线  74-75
  5.3 AUV标准H_∞鲁棒航向控制器设计  75-77
    5.3.1 AUV线性航向控制器设计模型  75-77
    5.3.2 AUV标准H_∞鲁棒航向控制器设计  77
  5.4 AUV非线性鲁棒航向控制器设计  77-78
  5.5 AUV航向控制仿真  78-85
    5.5.1 AUV虚拟仿真系统硬件结构  78-79
    5.5.2 AUV理想环境下航向控制仿真  79
    5.5.3 AUV近水面航向控制仿真  79-83
    5.5.4 AUV偏航力矩干扰下航向保持仿真  83-85
  5.6 本章小节  85-86
结论  86-88
参考文献  88-93
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  93-94
致谢  94-95
附录 A  95

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶机械 > 船舶系统 > 船舶操纵控制系统
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