PDF《刘正江欠驱动船舶非线性滑模靠泊控制器_刘正江》

第7卷第4期2007 年8月交通运输工程学报Journal of T raffic and Transportation Engineering Vol.

7 No.

4 Aug.

2007 收稿日期 : 2007-

04 -

06 基金项目 : 国家自然科学基金项目(60474014) 作者简介 : 卜仁祥(1973 - ), 男 ,辽宁岫岩人 , 大连海事大学讲师 , 工学博士研究生 , 从事船舶运动与控制研究 . 导师简介 : 刘正江(1959 - ), 男 ,江苏如皋人 , 大连海事大学教授 . 文章编号 : 1671- 1637(2007)04 -

0024 -

06 欠驱动船舶非线性滑模靠泊控制器 卜仁祥 ,刘正江 ,胡江强 (大连海事大学 航海学院 , 辽宁 大连 116026) 摘要: 为了准确控制典型靠泊操纵,分析了带有加速度非完整约束的欠驱动水面船舶的自动靠泊 问题 ,设计了动态输出反馈控制器 .利用递归分解迭代设计方法 ,在扩展状态空间定义了非线性滑 模,将控制系统的轨迹设计与跟踪问题转化为标量零阶系统的镇定控制问题, 结合增量反馈技术, 无需对不确定模型参数以及风 、 流干扰进行估计, 完成典型靠泊操纵的自动控制.仿真结果表明: 控制器对干扰变化不敏感 ,具有强的鲁棒性, 且船舶平面运动轨迹设计过程简单, 可以仅通过一个 参数进行轨迹调节. 关键词: 船舶工程;

自动靠泊;

非线性滑模 ;

增量反馈 中图分类号 : U664.

82 文献标识码 : A Berthing controller of underactuated ship with nonlinear sliding mode Bu Ren- xiang , Liu Zheng- jiang , Hu Jiang- qiang (School of Navigation , Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China) Abstract: In order to accurately control typical berthing steering , a dynamic output feedback controller w as designed for the automatic berthing of underactuated surface ship with nonholonomic acceleration constraints. The control problems of path planning and following w ere transformed into the static control problem of scalar zero- order- systems by means of iterative sliding mode control (ISMC), in which nonlinear sliding surfaces w ere recursively and iteratively designed in augmented state space. Integrating w ith increment feedback , the controller w as proved to stabilize ship'

s motion in typical berthing steering w ithout estimating systemic uncertainties and the disturbances resulted from current and w ind. Numerical simulation result show s that the controller is strongly robust to the variation of the disturbances , and ship'

s planar trajectory is adjusted by using only one variable due to its simple design procedure.

7 figs ,

15 refs. Key words: ship engineering ;

automatic berthing ;

nonlinear sliding mode ;

increment feedback Author resumes: Bu Ren- xiang( 1973- ), male , lecturer , doctoral student of engineering , +86- 411-

84729527 , burenxiang @ tom. com ;

Liu Zheng- jiang(1959 - ), male , professor , +86 - 411-

84729777 , liuzhengjiang @dlmu. edu. cn.

0 引言欠驱动船舶的自动靠泊控制研究始于

20 世纪

90 年代初[ 1] , 由于常规水面船舶横向上未装备驱动 装置,加速度带有不可积的非完整约束条件 [ 2- 3] , 此外,系统线性化后存在不可控的零点[ 4] ,而且不能转 化为没有漂移的系统[

5 - 7] ,因此 , 欠驱动船舶的自动 靠泊控制是一个国际性的难题 [ 8] , 近年来在国外引 起了较大的关注 ,但国内研究较少 . 在欠驱动船舶的自动靠泊控制问题中 ,目前仍存 在许多难点需要解决 .其中最困难也是最具挑战性 的是控制系统的轨迹设计(trajectory or motion plan- ning),因为非完整系统不能跟踪任意的轨迹[ 9] ,而系 统轨迹对于船舶靠泊操纵安全恰恰是至关重要的. 对于非完整系统的轨迹设计方法大致可分为微分几 何(differential geometric)或微分代数(differential al- gebraic) 等[ 9] ,但这些方法都依赖于确定的系统模型. 在船舶运动模拟计算领域 ,尽管近几十年来国内外进 行了大量研究 ,但建立一个严格的港内操纵模型仍然 是困难的.文献[ 10] 采用简化的方法设计系统状态 变量,文献[ 11- 12] 则采用离散的扩展拉格朗日(aug- mented lagrangian) 方法进行船舶轨迹优化,文献[ 13] 提出一种基于逻辑控制的方法,驱动船舶沿线性化的 航向反复进退,逐渐接近终止状态, 但其实用性尚需 进一步研究 ,因为不连续的(速度) 控制对于非完整的 运动系统来说是难以实现的[ 9] . 另外 ,对于非完整系统的镇定控制或轨迹跟踪 也是当前控制领域研究的热点之一 ,其根本原因在 于许多非完整系统不满足著名的 Brockett 必要条 件而不能通过光滑(甚至连续)时不变静态反馈进行 渐近稳定控制, 但系统的非完整约束决定了确实存 在(局部) 渐近稳定的反馈控制律[ 9] .为了避免依赖 确定的船舶动力模型 ,神经网络 [ 10- 11] 、 模糊控制以及 其他人工智能控制方法都被应用于船舶运动控制 领域 . 本文利用非线性滑模分解迭代设计方法[ 14] , 将船舶靠泊控制中的轨迹设计以及跟踪问题转化为 多个标量函数(滑模)的镇定控制问题, 为避免对精 确系统模型的依赖 ,结合增量反馈技术设计了输出 反馈靠泊控制器 ,并应用实习船 育龙 轮的非线性 水动力模型[ 15] 进行了仿真 .