探索船舶航向保持中的混沌及鲁棒控制

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1、大连海事大学硕士学位论文船舶航向保持中的混沌及鲁棒控制姓名：朱璐申请学位级别：硕士专业：交通信息工程及控制指导教师：张显库20090601中文摘要摘要船舶是一个多变量耦合、非线性、大时滞、大惯性的复杂动态系统；船舶航速的变化以及装载增减造成模型参数的变化；并且航行环境的干扰，如海浪产生艏向的高频振荡，从本质上也可转换成船舶模型的参数和结构的摄动。这些因素使得船舶在航向保持控制过程中，可能会出现混沌运动。混沌运动对船舶航向保持起了消极破坏作用，将导致船舶偏离航向或失控。因此，判断船舶运动过程中是否出现混沌以及能否控制混沌，对研究航

2、向保持控制具有很重要的理论和现实意义。本文首先介绍了混沌的定义、混沌的特征和_些典型的混沌方程及其相图，讨论了通向混沌的道路及混沌的判别方法，并给出了航向保持控制系统的船舶广义数学模型。然后，由于该运动模型与受迫型Duffing方程的相似性，借鉴Holmes对Duffing方程的研究方法，利用微分动力系统理论、分岔理论和混沌理论等来研究船舶航向保持控制，验证了该过程中能出现混沌现象：系统存在大于O的Lyapunov指数、分数维、连续的功率谱。最后，设计非线性控制器，应用于船舶航向保持中的混沌控制：利用精确反馈线性化原理，将船舶广

3、义模型非线性部分对消，加上一个线性控制器，其中线性控制器的设计采用闭环增益成形算法。该算法具有设计过程简单、物理意义明显的优点。本文通过Matlab的Simulink工具箱对控制结果进行了仿真，给出了加入白噪声和±10％的模型摄动下，转艏角速度和船艏向角随时间的变化曲线。仿真结果表明，设计的非线性控制器有较强的鲁棒性，可以成功抑制船舶航向保持控制中的混沌现象，并使系统具有较好的航向保持性能。关键词：船舶；混沌；航向保持；闭环增益成形：鲁棒控制英文摘要AbstractShipisacomplexanddynamicsystemwh

4、ichismulti-variablecoupledandnonlinearwithlargedelayandlargeinertia．Changesofspeedandloadinghaveinfluenceonmodelparameters．Andnavigationenvironmentdisturbancessuchaslligh—frequencyofbowbywave，canalsobeconvertedintotheperturbationofmodelparametersandstructureforshipse

5、ssentially．Forthesefactors，chaosmotionispronetooccurincoursekeepingcontrolforships．Chaosmotion，whichplaysadestructiveroleiIlcoursekeeping，willcauseshipstodeviatefromcourseorbeoutofcontr01．Therefore，determiningwhetherchaosmergesandbecontrolledornotmtheprocessofshipmot

6、ionhastheoreticalandpracticalsignificanceontheresearchofcoursekeeping。Firstly，thepaperintroducesthedefinition，characteristicsOfchaosandsometypicalchaosequationswithphasediagrams，studiestheroadleadingtochaosandmethodsforidentifyingchaos，alsoliststhegeneralizedmathemat

7、icalmodelforcoursekeepingcontrolsystemofships．Then，becausethemodelissimilartoforcedDuffingequation，fromHolmes’SmethodologyonDuffingequation,thepapermakesuseoftheoryofdifferentialdynamicalsystem，bifurcationandchaostostudyCOUrSekeepingcontr01．Chaosphenomenonisverified，

8、thatis，thesystemhasLyapunovexponentgreaterthan0，fractaldimensionandcontinuouspowerspectrum．Finally，thisthesisdesignsnonlinearcontro