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原文传递基于积分滑模输出反馈的动力定位船舶的容错控制

论文题名：	基于积分滑模输出反馈的动力定位船舶的容错控制
关键词：	动力定位船舶;鲁棒容错控制系统;积分滑模输出反馈;稳定性
摘要：	动力定位船舶因其不受水深限制、定位精准、机动性高等优点，被广泛应用于海洋污染清理、环境监测、石油开发、科学探索等领域，已成为探索海洋、开发海洋的重要工具之一。然而，其工作在复杂多变的海洋环境中，推进器不免发生故障，从而导致任务失败或造成无法估计的损失。此外，信号量化现象、输入量化不匹配和未知动力学参数的存在也会影响动力定位船舶控制系统的稳定性。另一方面，积分滑模输出反馈技术因其仅使用测量信息就能够保证系统从初始时刻具有鲁棒性，被广泛应用于控制系统的设计中。采用积分滑模输出反馈技术对动力定位船舶的鲁棒容错控制研究逐渐成为控制领域的一个重要研究方向。考虑到上述因素，本论文主要利用积分滑模输出反馈技术，研究鲁棒容错控制策略，主要研究工作如下：　　（1）考虑带有未知海洋环境扰动和推进器故障的动力定位船舶，首次使用积分滑模输出反馈控制技术研究了鲁棒容错控制问题。首先，使用测量输出信息构造一个全阶动态补偿器以增加设计的灵活性，并基于补偿器状态和输出信息设计一个积分滑模面。然后，利用矩阵满秩分解技术和自适应机制，设计了积分滑模输出反馈控制器，以保证在推进器故障和海洋环境外部干扰存在的情况下，从初始时刻就能抑制艏向角和艏摇角速度的振荡幅度。最后，通过一艘典型的浮生船进行仿真验证所提方法的有效性。　　（2）考虑同时存在推进器故障、信号量化和未知海洋环境扰动的动力定位船舶，提出了一种基于积分滑模量化控制技术的容错控制方法。首先，使用量化输出信号，构造了积分滑模面和动态补偿器。然后，设计了积分滑模输出反馈控制器，并提出一个新颖的动态量化参数调节策略。与已有结果相比，首次揭示了吸引域和量化范围之间的关系。稳定性分析结果表明，尽管存在量化误差和推进器故障，所设计的积分滑模控制策略从初始时刻就可以保证动力定位船舶的稳定性。最后，通过仿真验证了所提方法的有效性。　　（3）考虑同时存在推进器故障、输入量化不匹配和未知海洋环境扰动的动力定位船舶，设计了基于积分滑模输出反馈技术的容错控制方法。编码器/解码器端量化参数之间的不匹配关系与控制器设计相冲突，可能导致动力定位系统的不稳定。为了解决这个问题，首先，建立了一个上下界未知的时变比率参数模型，并通过线性微分方程在线更新，避免了现有文献中复杂的非线性更新规律。其次，使用模糊逻辑系统来逼近未知的非线性函数，设计的积分滑模控制律，在推进器故障和量化参数不匹配的情况下，仍能保证动力定位船舶系统的稳定性。最后，仿真结果验证了所提控制方案的有效性。　　（4）考虑同时存在推进器故障、未知海洋环境扰动、未知动力学参数的动力定位船舶，提出了一种基于自适应技术的积分滑模输出反馈容错控制策略。首先，基于高增益补偿器的状态和测量输出信息，构造了一个积分滑模面。然后，采用自适应技术估计未知故障和扰动的上界。基于此，设计了积分滑模控制器，并首次揭示了吸引域与动态不确定性参数之间的关系。稳定性分析表明，尽管存在推进器故障，未知动力学参数和未知海洋扰动，设计的积分滑模控制策略可以从初始时刻就能够保证闭环系统的稳定性。最后，仿真结果验证了所提方法的有效性。
作者：	张雨晴
专业：	控制科学与工程
导师：	郝立颖
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022