基于backstepping的船舶航向滑模控制_

摘要：考虑船舶操纵舵机伺服机构特性下的船舶航向控制，构成一个参数未知和虚拟控制系数未知的非匹配不确定非线性控制问题。基于backsteping方法结合调节函数自适应方法与变结构滑模控制设计出船舶航向控制器，借助Lyapunov函数证明了所设计控制器使得最终闭环非匹配不确定船舶非线性控制系统中的所有信号有界并一致稳定。基于Matlab的仿真实验证明，系统的实际航向自适应地跟踪设定航向，控制器具有良好的动静态特性和鲁棒性。
关键词：backstepping；变结构滑模控制；调节函数；船舶航向跟踪
船舶动态具有大惯性、大时滞、非线性等特征。由于航速及装载的变化会引起船舶运动模型的参数摄动，船舶航向控制系统模型中存在明显的参数不确定性。若在船舶航向控制器设计中考虑舵机的影响及参数不确定性，则船舶航向控制便成为一个非匹配不确定的控制问题，特别是其虚拟控制系数及其符号未知。自适应逆推方法[1?2]是近十几年来非线性控制领域发展的最重要组成部分,可用于设计一大类具有未知常数值的非线性系统自适应控制器。当未知参数的不确定性的边界已知时，可采用鲁棒控制，滑模控制[3?4]是一类鲁棒控制。自适应逆推算法和滑模控制的结合集成了二者的优点[5?8]，本文作者在考虑船舶舵机非线性和船舶参数不确定及控制方向未知的情况下，提出了应用于船舶航向控制的基于backstepping的自适应滑模控制算法。参数自适应方法采用调节函数，调节函数消除参数重复估计，使得估计参数数目和实际参数数目一致。仿真结果表明，该算法有效可行，控制效果良好。
为提高航向控制自动舵的性能，讨论了包含舵机系统特性的船舶操纵非线性数学模型，并假定模型参数未知，在此基础上，提出了一种基于backstepping的船舶航向滑模控制器。该设计方法利用backstepping与滑模控制结合，利用调节函数避免了参数的重复估计，解决了系统虚拟控制系数符号未知的困难，实现船舶自适应航向跟踪控制，确保船舶运动航向控制系统中所有信号一致有界，且控制光滑。仿真结果表明，所提出的控制方法具有良好的动静态性能和对不确定参数的适应能力及鲁棒性，是一种行之有效的控制方法。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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