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基于状态输出受限的船舶航向切换容错控制
| 论文题名： | 基于状态输出受限的船舶航向切换容错控制 |
| 关键词： | 船舶航向切换;容错控制;状态输出受限;反步法;预设性能 |
| 摘要： | 在国家大力促进丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路以及从海洋大国转向海洋强国发展战略的大背景下，大力发展海洋运输发挥着重要的角色。船舶作为世界海运贸易的重要载体，在海上交通运输中发挥着不可或缺的作用。船舶运动控制一直以来都是航海科技领域的一个热门研究方向，引起了专家学者们的广泛关注。众所周知，船舶在海上航行运输过程中会面临复杂的海况和气象条件，并且随着科技和工业的不断发展和进步，船舶正朝向专业化、智能化和大型化的方向发展。一旦船舶执行器发生故障、失效或部分失效等问题，控制系统将无法正常运行，进而导致正常船舶生产计划的延误或船舶事故的发生。船舶到港期限的延误会带来经济损失，船舶出现事故（如碰撞、搁浅等）的后果将不可估量。此外，在航海实践中，船舶控制系统的执行机构很容易受到物理和环境约束，最明显的是船舶执行机构的工作范围受限。当控制系统的执行机构不能够很好地执行船舶控制器信号所要求的指令时，最直接的结果就是会引起系统振动，甚至导致控制系统不稳定。基于上述内容，研究状态输出受限的船舶航向切换容错控制具有现实意义。 本文首先设计了一种基于输出受限的船舶航向切换容错控制器。考虑航向保持控制系统输出误差受限问题，利用障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function ， BLF)和多状态输出受限引理，来处理航向保持控制系统输出误差受限问题，把航向误差约束在动态范围之内，其次，针对船舶执行器故障问题，通过设定监控函数和备用健康的执行器，实现了执行器故障监测及不确定故障模式的情形下能够从故障执行器切换到健康执行器，能够保障跟踪误差的有界性及系统的稳定性。 随后，结合预设性能函数和切换容错控制方法，利用反步法（backstepping）和李雅普诺夫稳定性理论，通过构造误差转换函数对航向误差进行转换。将预先设定的性能函数与障碍李雅普诺夫函数相结合，有效地限制了船舶航向误差的瞬态性能，保证了稳态跟踪性能，并将系统的航向误差限制在预先设定的稳定边界内，并对船舶运动数学模型的不确定项进行估计，设计了一种船舶自适应切换容错航向控制器。一旦船舶执行器出现故障，将自动切换到下一个健康的执行器，从而保证系统的稳定性。通过理论分析，证明了在容错控制器的作用下，航向保持控制系统是有效且稳定的。 最后，以一艘双桨双舵集装箱船作为仿真对象，通过Matlab仿真实验，分别对上述设计的船舶航向保持控制器进行实验仿真，通过对仿真实验结果分析验证了所设计的航向保持控制算法的有效性和可行性。 |
| 作者： | 张军 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 李伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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