船舶航向控制器設計(MATLAB,附仿真程式)(課題申報表,任務書,開題報告,中期檢查表,外文翻譯,論文15400字,仿真程式,答辯PPT)
摘 要
本文對反向遞推(Backstepping)設計方法在非線性船舶航向控制器中的應用進行了研究。Backstepping設計方法是近幾年興起的一種基于Lyapunov穩定性理論的比較先進的非線性控制方法。是以，本文首先對目前常見的非線性控制方法進行了概述，簡單的介紹了Lyapunov穩定性理論及Backstepping算法設計原理，進而對Backstepping設計方法進行了比較研究，總結出 Backstepping方法的優點及局限；然後本文根據目前船舶航向控制中普遍存在的兩個問題：船舶操縱運動的非線性及船舶響應模型存在不确定性進行了讨論，分别應用Backstepping方法及自适應Backstepping方法設計了靜态的和動态的船舶航向控制器，使系統在平衡點全局漸近穩定，并取得了很好的控制跟蹤效果。
本文對Backstepping設計方法與精确回報線性化方法進行了系統的比較研究，通過系統仿真得出Backstepping設計方法實作船舶航向穩定。進而減少了航向誤差。
關鍵詞：船舶航向控制；Backstepping反向遞推方法；自适應控制；非線性；李亞普諾夫函數
Abstract
Backstepping design and its applications to nonlinear ship steering are systemically studied in this paper. Backstepping design is a new recursive nonlinear control methodology which associated with Lyapunov stabilities theory. After a brief review of conventional nonlinear system control theory and Lyapunov stability, we introducesbasic backstepping tools in this thesis. Then it concludes its advantages and disadvantages by comparison Backstepping and Absolute Feedback Linearization methods. Now two problems listed below are difficult to solve in ship steering controller designs: 1) nonlinear maneuvering characteristics in ship steering;2)uncertai-
nty in nonlinear ship responded model. In this paper, it will show how Backsteeping can be applied to solve these problems successfully.
Backstepping is related to Absolute Feedback Linearization. However the latter requires precise models and cancels all nonlinearities but Backstepping not. It exploits "good" nonlinearities while "bad" nonlinearities are dominated. So the controller's energy can be reduced and the robustness obtained.
Keywords:Shipsteering;control;Backstepping;design;Adaptivecontrol;Nonlinear; Lyapunov function
本文針對Backstepping反向遞推設計在理論和在船舶航向控制中的應用進行了詳細的論述，并着重讨論了在理論研究和學習過程中的一些心得，和在理論應用到實際過程中的一些自己的設計思想。
論文的結構安排如下：第一章簡述了論文選題的背景、目的和意義，即非線性控制方法概述、Backstepping反向遞推設計方法的發展曆史及應用到船舶航向控制中的意義；第二章簡要介紹了Lyapunov函數穩定性，詳細闡述了積分式backstepping反向遞推算法原理為下一步設計奠定了基礎；第三章介紹了非線性船舶運動數學模型；第四章詳細介紹Backstepping船舶自動舵設計，及含有不确定項非線性船舶自動舵自适應Backstepping設計，仿真結果等。
目 錄
第1章 概 述 1
1.1課題研究的背景意義 1
1.2研究現狀 4
1.3論文的結構 4
第2章Lyapunov穩定性理論及反向遞推基本理論 6
2.1 Lyapunov穩定性 6
2.2 Lyapunov直接法 7
2.3積分器 Backstepping 8
2.4本章小結 12
第3章 非線性船舶操縱運動數學模型 13
3.1船舶平面運動坐标系 13
3.2船舶操縱特性 14
3.3非線性船舶操縱運動的數學模型 14
3.4舵機的數學模型 15
3.5環境擾動的數學模型 16
3.6本章小結 17
第4章 船舶航向控制器設計 18
4.1船舶航向控制的性能名額 19
4.2濾波 20
4.3非線性船舶自動舵Backstepping設計 21
4.4含有未知常參數的船舶操縱運動模型 24
4.5仿真結果 27
4.6本章小結 29
結 論 31
緻 謝 32
參考文獻 33