舰船混沌运动的改进自适应Backstepping控制

针对舰船混沌运动控制中模型参数无法确知导致的控制结果不确定问题,将自适应控制方法与Backstepping方法相结合,在设计控制器时,引入参数估计误差补偿项,有效实现了系统参数的准确辨识,并得到了一种改进自适应Backstepping控制方法。实验结果表明,该方法能够实现对系统关键参数未知的舰船混沌运动的稳定有效控制,为舰船航向的高精度保持提供了一种有效途径。

欠驱动船舶自适应神经网络有限时间轨迹跟踪

[目的]针对欠驱动水面船舶在轨迹跟踪控制中存在的动态不确定和未知扰动问题,设计一种自适应神经网络有限时间轨迹跟踪控制方案。[方法]利用运动学虚拟控制律变换和有界限制的方法进行欠驱动变化。在Backstepping的框架下,利用神经网络重构未知动态,并设计自适应律逼近未知扰动的上界。通过Lyapunov直接法提供严格的理论分析,以证明闭环系统所有信号都是有界的,并使跟踪误差收敛至有界的区间。[结果]仿真结果表明,所提控制方案能够使欠驱动船舶在有限的时间内跟踪上期望的轨迹,且相比传统控制方案,系统误差的收敛速度更快,误差的上、下界也更小,在面对外界未知的时变干扰时还具有良好的鲁棒性。[结论]所做研究可为船舶的轨迹跟踪控制提供有效参考,具有实际的工程意义。

未知参数的舰船辐射噪声线谱Duffing振子检测方法

当被动声呐探测舰船目标时,舰船辐射噪声中的线谱成分是舰船分类识别及航行状态监测的特征参量,通常情况下线谱的频率及数量是未知的。针对现有未知频率的Duffing振子检测方法存在系统结构复杂,判别时间长,需要人为参与等问题,本文构造了变参数单一Duffing振子检测模型,并提出了变频频率切片小波变换的Duffing振子检测方法。该方法通过设置合理的频率灵敏度参数自动地调整系统内置策动力频率值,利用频率切片小波变换提升系统抗噪性能,结合Poincare映射特征函数的系统相态定量判决方法,变频搜索待测信号中的线谱分量。在实测数据的分析处理中,对不同观测时间内的数据进行检测,实现了线谱成分的检测跟踪与频率估计,并根据时间轨迹上的频率识别信息确定存在的稳定线谱成分。数据处理结果表明,该方法能够实现低信噪比下参数未知线谱的检测与频率估计。

具有未知动态的船舶编队输出反馈控制

研究了仅利用相对位置信息和相对航向信息的船舶编队输出反馈控制问题.首先使用leader-follower策略,建立了船舶编队的运动学模型.然后应用微分同胚变换将系统解耦成3个子系统.根据船舶低频运动的特点,在跟随船水动力学模型中粘性水动力和力矩未知以及所有船舶速度都不可测量的假定下,提出了一种高增益广义比例积分观测器来估计这些未知和不可测量动态.在高增益广义比例积分观测器的基础上,分别设计了线性输出反馈控制器和输入饱和受限的输出反馈控制器,并分析了闭环系统的稳定性.最后仿真结果表明了方法的有效性.

无线网络船舶监控中心多源数据定位

为提高船舶监控中心数据定位的准确性,设计一个无线网络的船舶监控中心多源数据定位方法。采用压缩感知方法收集多源数据,压缩后向sink转发,采用最小生成树传递数据,采用D-S证据理论算法组合从不同信息源上采集得到信息,融合数据,对发送节点与接收节点之间的时间表转换,估计消息传输延迟,转换数据采集时间,采用后验概率公式,实时调整数据坐标,实现船舶监控中心多源数据的定位。实验包含数据距离测量、不同迭代次数下定位误差、不同锚节点数量定位误差3个部分,结果表明所提出的方法不仅能够准确测量数据的距离,受到迭代次数与锚节点数量的影响较小,能够准确定位到数据的位置,有效提高了数据定位的准确性。

船舶航向反步自适应控制

针对反步控制算法控制参数多、难整定的问题,经过理论分析提出基于期望指标的二阶系统参数整定方法.将系统变换为二阶系统形式,在选取闭环系统的自然频率、阻尼、闭环系统调节时间与超调量后,确定系统闭环极点,由极点整定了两个关键控制参数,积分增益取值参考PID控制器中积分时间参数的方法整定.在海浪干扰和船舶模型参数出现很大摄动的情况下,对所设计控制器进行了仿真试验,结果表明,所设计的控制器具有很好的鲁棒性,提出的整定控制器参数方法是可行的.

未知时变扰动和输入饱和下的智能船舶鲁棒非线性控制

为解决智能船舶的定位控制问题,考虑到船舶在未知时变扰动和输入饱和约束下的定位控制问题,结合非线性扰动观测器,提出一种带辅助动态系统的鲁棒非线性控制算法。通过Lyapunov理论证明提出的非线性扰动观测器与控制器相结合的闭环系统的稳定性和信号的一致最终有界性。利用非线性扰动观测器对环境中存在的海浪扰动进行有效的估计处理。通过仿真试验验证提出的控制算法不仅能保证船舶期望的位置和艏向,而且能提高控制速度,具有较好的控制性能。

手机定位协查事故逃逸船舶可能性探讨

文中试图在水上交通事故发生地(由已知船舶提供)为中心的一定区域(半径R的圆)内确定一定数量的手机使用情况,缩小协查范围,再用手机定位确定船舶后续停泊位置,具体协查这些嫌疑船舶,为确定事故逃逸船舶提供一种新的思路。

控制方向未知条件下不确定船舶航向鲁棒λ调节控制

为了改善模型中控制方向未知和受外界环境干扰的船舶航向保持控制问题,将Nussbaum增益技术引入到Backstepping方法中,得到一种可人为指定稳态控制的新型鲁棒λ调节控制方法.考虑到一般系统中Nussbaum积分乘性函数为时变函数,通过利用Nussbaum函数不变性构建新的积分形式,充分利用船舶模型内部结构特征,提高该算法理论证明的严谨性.所提出的算法能够解决船舶航向保持控制中控制方向未知条件下指定稳态性能控制问题.最后,通过仿真实验验证了所得出的上述控制方法的可行性.

基于状态反馈线性化和ESO的船舶航向跟踪控制

针对船舶航向跟踪控制问题,考虑舵机伺服系统特性、船舶动态参数不确定以及未知时变环境扰动,利用状态反馈线性化原理与扩张状态观测器(ESO)的基本思想,设计船舶航向跟踪控制律.首先,对带有执行机构的船舶操纵数学模型进行非线性坐标变换;然后,构造ESO,实时估计动态参数不确定和未知时变环境扰动构成的总扰动.基于上述,根据状态反馈线性化原理设计船舶航向跟踪控制律.理论分析表明,所构造的ESO估计误差渐近收敛于零,所设计的船舶航向跟踪控制律保证船舶航向跟踪闭环系统是稳定的,且使得船舶航向跟踪误差渐近收敛于零.最后,以一艘军舰为例进行仿真研究,仿真结果显示了所设计的船舶航向跟踪控制律的有效性和对扰动的鲁棒性.

基于ADRC的并联三自由度船载稳定平台稳定控制律设计

针对存在动态不确定与未知时变外界扰动下的并联三自由度船载稳定平台稳定控制问题,采用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)技术,构造扩张状态观测器,实时估计由船载稳定平台动态不确定、未知时变外界扰动以及平台各自由度运动状态变量间的耦合构成的总扰动;设计船载稳定平台PID反馈控制律,并将总扰动的估计前馈至控制输入端补偿船载稳定平台的总扰动,以实现平台的稳定控制.理论分析表明,设计的基于ADRC的船载稳定平台稳定控制律可使其上支撑面在惯性空间保持平稳,并保证船载稳定平台闭环控制系统中所有信号一致最终有界.仿真实验结果验证了设计的基于ADRC的船载稳定平台稳定控制律的有效性以及对未知时变外界扰动的鲁棒性.

未知干扰下多船相邻交叉耦合同步编队避障控制

针对在未知海洋干扰下编队航行时的同步性能差和障碍物碰撞风险问题,提出了一种多船舶分布式相邻交叉耦合同步编队避障鲁棒控制方法和具有更高同步控制精度的相邻交叉耦合同步控制策略,并利用神经网络估计未知海洋干扰;为防止船舶与障碍物、船舶与船舶之间的碰撞风险,将人工势场法应用到多船舶编队控制系统当中;通过模拟5艘船舶在具有多个障碍物和未知海洋干扰情况下的并排编队航行场景,测试了提出方法的有效性。研究结果表明:在考虑障碍物与外界海洋干扰的环境下,5艘船舶在安全躲避障碍物后,均能够以期望的编队形式完成航行;9 s左右这些船舶就能够达到一致的速度,面对障碍物干扰时,速度会出现轻微波动,但30 s后仍可趋于一致,并保持相同的速度继续航行;船舶的位置跟踪误差、速度跟踪误差、相邻船舶的位置同步误差与神经网络逼近误差会出现小幅度的振荡,但30 s后这些误差最终都收敛于0,保证了5艘船舶位置与速度信息的同步。可见,该方法不仅可解决未知海洋干扰下船舶编队控制同步性能较差的问题,同时可有效降低船舶与障碍物、船舶与船舶之间的碰撞风险,一定程度上提高了船舶编队航行时的自主性与安全性。

基于DVS制导算法的欠驱动船舶路径跟踪指令滤波滑模控制

针对欠驱动水面船舶在模型参数不确定和未知风浪流扰动情况下的路径跟踪问题,提出一种改进的动态虚拟小船(dynamical virtual ship,DVS)制导算法,并采用指令滤波反推法设计模型运动学回路的前进速度和艏摇角速度的虚拟控制律,进而将船舶路径跟踪问题转化为前进速度误差和艏摇角速度误差的镇定问题,在模型动力学回路上采用PI积分滑模控制方法设计实际控制律.该控制策略能够减少和避免因对虚拟控制律求导而造成的计算负担和高频噪声对系统的影响,且对模型参数不确定和未知扰动具有鲁棒性.仿真实验表明,该控制策略可实现船舶在模型参数不确定和未知风浪流扰动下对规划路径的精确跟踪.