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基于干扰抑制的全垫升气垫船跟踪控制方法研究

摘要

全垫升气垫船具有高航速、耐波性和两栖性等特点，在高性能船舶领域一直占有非

常重要的地位。随着全垫升气垫船在两栖登陆、极地科考和破冰救援等方面的广泛应用，

其运动控制方法的研究也日益受到瞩目。气垫船自动跟踪控制方法的研究是运动控制研

究的关键一环。然而，气垫船的建模参数摄动、环境扰动、未建模误差、推力减额和执

行器饱和等实际工程问题给跟踪控制器的设计带来了巨大挑战。在这些不确定性因素的

前提下，基于干扰抑制的全垫升气垫船跟踪控制方法的研究是个极具实际工程意义的课

题。本文考虑跟踪控制作业对精确性、鲁棒性、快速性、安全性和瞬态性能的高要求，

基于干扰抑制方法围绕着全垫升气垫船跟踪控制问题展开深入研究。本文的主要内容和

创新点如下所示：

1

（）针对全垫升气垫船参数摄动、外界扰动和部分状态不可测条件下的估计和抑

(CompositeDisturbanceObserverCDO)

制问题，提出一种基于综合扰动观测器，和双曲正

(GlobalSlidingModeControlGSMC)

切型滑模面的全局滑模跟踪控制器，，减小传统滑模

控制方法带来的抖振。首先，设计具有补偿项的CDO估计气垫船的参数摄动、环境扰动

和不可测状态；其次，提出一种基于双曲正切型强制函数的GSMC缩短现有滑模控制方

法的趋近过程，提高系统的鲁棒性并实现对期望路线的快速跟踪；然后，根据李雅普诺

夫稳定性原理分析本文设计的CDO-GSMC闭环跟踪控制系统是渐近稳定的。最后，通过

与二阶快速终端滑模控制器的对比仿真验证了本文控制方法的有效性和优越性。

2

（）针对全垫升气垫船未知推力减额和时变环境扰动条件下的状态安全约束控制

问题，提出一种基于扩张状态观测器(ExtendedStateObserver，ESO)和积分型障碍李雅

普诺夫函数(BarrierLyapunovFunction，BLF)的气垫船快速跟踪控制方法，实现速度和

回转率安全限界下的干扰抑制和跟踪控制。首先，考虑气垫船推力减额问题和非链式积

分系统设计扩张状态观测器的难点，利用等效变换设计一种基于固定时间收敛理论的扩

张状态观测器；其次，结合固定时间收敛理论和扩张状态观测器设计一种鲁棒跟踪控制

BLF

器；然后，在定义的安全速度界限的条件下，应用积分型设计反馈跟踪控制器，确

保速度和角速度在安全范围内；最后，通过对比仿真验证了本文控制方法的有效性。

3(Prescribed

（）针对未知推力减额和时变环境扰动条件下预设性能控制方法

PerformanceControl，PPC)的非全局收敛问题，定义转换误差函数的时变范围提出一种

固定时间收敛的预设性能跟踪控制器，实现全垫升气垫船任意初始状态下的快速跟踪。

首先，消除跟踪误差初始值和预设性能函数初始值不等式条件的限制，提出一种全局性

哈尔滨工程大学博士学位论文

的预设性能函数；其次，结合固定时间收敛理论设计预设性能跟踪控制器；然后，结合

干扰抑制方法补偿推力减额系数不确定和环境扰动信息，提高控制系统的瞬稳态性能；

最后，通过与现有方法的对比仿真验证了本文控制器的相对优势。

（）针对未知推力减额和时变环境扰动条件下的预设性能控制方法的执行器饱和

4

问题，基于执行器饱和信息重新构造误差转换函数设计一种抗饱和预设性能跟踪控制器

(Saturation-tolerantPerformanceControl，STPPC)，改善全垫升气垫船在饱和约束下的全

局跟踪性能。首先，根据执行器饱和故障信息定义一个可自动调整边界范围的预设性能

函数；其次，随着执行器饱和信息的消失和跟踪误差的