船舶航向控制器设计与仿真.docx

摘要：在航行过程中，船舶容易受到风、波浪、水流和其他因素的影响，另外船舶运动具有惯量大、延迟性大、非线性等特点，采用线性模型已不能精准描述系统的动态特征。本文针对Norrbin非线性船舶操控运动模型，采用Backstepping反步法逐步推导出控制器控制规律，使系统达到很好的航向跟踪效果。Backstepping设计方法是在李雅普诺夫稳定性理论的基础上的更加先进的非线性控制方法。本文首先介绍了现在我们经常使用的非线性控制方法，简要的介绍了李雅普诺夫稳定性理论和Backstepping反步法的原理，然后对Backstepping反步法进行了比较研究，总结了 Backstepping反步法的优点和缺点。最后利用matlab软件编写程序进行仿真，结果表明该控制器具有良好的跟踪性能和抗干扰性。

关键词：反步法；非线性控制；李雅普诺夫函数；船舶的航向控制

目录

摘要

Abstract

1.引言-1

1.1研究的背景及意义-1

1.2研究现状-1

1.2.1非线性控制方法-2

1.2.2 Backstepping的发展史-3

1.3论文的结构-4

2.预备知识-5

2.1 Lyapunov稳定性理论-5

2.1.1 Lyapunov意义下的稳定性定义-5

2.1.2 Lyapunov第二法-5

2.2 Backstepping反向递推设计方法-6

2.2.1 Backstepping方法概述-6

2.2.2 积分器Backstepping-7

2.3 simulink-11

3.非线性船舶操纵运动数学模型-13

3.1船舶平面运动坐标系-13

3.2船舶操纵特性-13

3.3非线性船舶操纵运动数学模型-14

3.4舵机的数学模型-15

3.5船舶运动的扰动数学模型-15

4.船舶航向控制器设计-17

4.1船舶航向控制的性能目标-17

4.1.1 船舶航向保持问题的控制性目标-17

4.1.2船舶航向改变问题的控制性目标-18

4.2基于Backstepping航向控制器的设计-18

4.2.1船舶航向控制器的设计-18

4.3仿真验证-20

5.结论-27

参考文献-28

致谢-30

附录-31