船舶航向控制器设计

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1、中文摘要摘要20世多P,90年代初，出现了以Kokotovic及其合作者发展起来的backstepping设计方法，它是一种运用系统化的方式同时构造反馈控制律和相关联的控制李雅普诺夫函数的循环非线性设计方法，近年来引来了越来越多的学者的高度重视，它具有很好的设计柔韧性，设计者可利用“好的”非线性项，通过增加非线性阻尼来控制“坏的”非线性项，是目前解决不确定非线性系统控制问题的最有效途径之一。为了研究的需要，本文介绍了一些Ly印unov稳定性的相关知识及backstepping的设计原理。由于船舶运动具有大惯性、大滞后以及受外界干扰等特点，使

2、得实际船舶的航向控制成为一个含有不确定性的非线性控制问题，因此，如何将有效的控制算法应用于船舶运动控制领域显得更为重要。本文给出了具有不确定性的船舶航向控制系统非线性数学模型，并介绍了船舶航向控制的基本知识和控制原理。积分控制对于控制系统具有消除静差提高系统性能的作用，这种理论为后来的PID控制器设计打下基础。在现代工业控制设计中，带积分环节的非线性控制器设计已经应用到船舶控制器设计中。本文基于含有匹配不确定项的Norrbin非线性船舶数学模型，将backstepping算法和非线性阻尼算法相结合设计船舶航向控制器，利用非线性阻尼来抵消系统

3、的不确定项，同时为了更好地改善系统的性能，在设计过程中引入了积分项；由于目前一般船舶只有电罗经用于测量船舶的航向角，还没有测量船舶航向角速度的设备，因此，针对Norrbin非线性船舶模型设计了一种输出反馈控制器，首先利用观测器对船舶航向角速度进行估计，然后再设计船舶航向控制器。最后通过应用Matlab／Simulink进行仿真，结果表明所设计的两个船舶航向控制器均是有效的。关键词：Backsteppingl非线性阻尼；Lyapunovl船舶航向控制；积分器英文摘要DesignofshipcoursecontrollerAbstractAtt

4、hebeginningof1990’S，backsteppingwasdevelopedbyKokotovicandhiscopartners，itisakindofcirculativenonlineardesignmethodthatusessystematicwaytoconstructfeedbackmethodandsimultaneouscorrelativecontrolLyapunovfunctionandSOmoreandmorescholarspayattentiontoit．Becauseithasverygoodfl

5、exibility，peoplecanuse“good”nonlinearitemthroughintroducingnonlineardampingtocontrol“bad”nonlinearitem．Nowbacksteppingdesignmethodisoneofthemosteffectivemethodstosettlecontrolproblemsinnonlinearsystemwithuncertainty．TheknowledgeaboutLyapunovstabilityandthetheoremofbackstep

6、pingdesignmethodarepresentedinthispaper．Infact，theshipcoursecontrolisanonlinearproblemwithuncertainty，becausetheshipmovementhasthegreatinertiahystereticcharacteristics，inadditionitisdisturbedbyenvironment，SOitismoreimportanttoapplysomemoreeffectivecontrolalgorithmtotheship

7、motioncontrolfield．Inthisarticle，thenonlinearshipmovementmathematicalmodelwithuncertainty，thebasicknowledgeandthecontrolprincipleofshipcoursecontrolareintroduced．Integralcontrolhastheuseofcancelingbiasandimprovingtheperformanceofthecontroller，itpavesthewayforwhatlateriskno

8、wnasthePIDcontroller．Morerecently，nonlinearcontroldesignswithintegralactionincludedhavebe