基于鲁棒自适应扰动观测器的船舶航向保持控制器设计

李纪强, 张国庆, 尚洪达

(大连海事大学 航海学院, 辽宁 大连 116026)

船舶航向保持控制研究一直是船舶海洋工程领域的一项重要课题，近年来，经典比例-积分-微分(Proportional Integral Differential,PID)控制、自适应控制技术、神经网络技术和智能控制技术等先进的控制技术不断被应用到船舶航向保持控制器设计中。[1-2]马超等[3]设计一种指数函数非线性反馈控制器，即在PID控制器中加入一项非线性的指数函数，达到调节船舶非线性的作用，并以“育鲲”轮为船舶模型进行仿真，验证其控制效果较好。由于欠驱动水面船舶的非线性特性，出现Backstepping方法与李雅普诺夫稳定性理论相结合的航向保持控制算法，文献[4]采用Backstepping方法直接将船舶非线性项设计到控制器中，但未解决Backstepping 控制器设计过程中计算负载大的问题。文献[5]采用动态面控制算法，解决虚拟控制律积分复杂且难以获得的难题，极大的降低Backstepping 控制器设计过程中的计算负载。然而，这些研究中均属于船舶航向保持算法，并且对于风、浪、流等外界海洋环境干扰通常以二阶白噪声或者是正余弦函数叠加进行代替[3]，由于白噪声具有很强的随机性，在上述控制器设计中，仅将此类扰动作为控制器的外界扰动，这对航向保持控制精度具有一定的影响。但在船舶路径跟踪领域，为提高船舶路径跟踪的控制精度，对于海洋环境干扰方面进行较深入的研究，除类似航向保持控制算法中以二阶白噪声代替外界环境摄动外，将海洋环境干……