模糊系统的容错控制及船舶动力定位应用

作     者：杨锡明 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李铁山;单麒赫

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：船舶动力定位系统 非线性系统 故障检测 容错控制 有色噪声 

摘      要：近几十年来,随着科技与经济的快速发展,人们对于资源的需求越来越大。随着人口激增、陆地资源短缺、环境遭到破坏等问题的影响,人们逐渐将目光转移至海洋资源开发。随着各国对海洋资源的开发利用,为了提高海上作业的精度,船舶动力定位系统逐渐成为了人们研究的对象。由于船舶大多具有较强的非线性、模型参数不确定以及容易受到环境干扰的特点,本文针对国内外复杂非线性系统控制问题进行了学习与研究,了解了复杂非线性系统容错控制问题的热点与难点。本文考虑系统存在建模参数摄动问题以及实际运行中受到外部干扰影响的情况,针对复杂非线性系统的容错控制问题展开研究并将理论方法与船舶动力定位问题相结合,具体内容包括:首先,针对带有建模参数摄动的非线性系统的容错控制问题展开研究。在本方法中,基于模块化的思想将故障观测器设计以及容错控制器设计分开。观测器的设计中,使用结合局部非线性建模技术的T-S模糊建模技术对系统进行建模,并使用未知输入观测器技术处理系统中的参数摄动并得到控制器设计所需的故障估计值。控制器设计部分,由于无法使用未知输入观测器技术,因此使用区间二型T-S模糊建模技术对系统重新建模并基于得到的故障估计值设计容错控制器使得闭环系统能够实现有限时间有界并满足H条件。该方法有效降低了设计环节以及求解过程复杂度并能够具有较低的保守性。其次,考虑实际环境中系统受到随机过程向量的影响,使用随机微分方程理论将其刻画为有色噪声,进而针对有色噪声影响下的非线性系统容错控制问题展开研究。本方法降低设计、求解过程复杂度的同时,使用随机微分方程理论对误差(闭环)系统进行分析,给出故障观测器以及容错控制器的设计方法,并通过Lyapunov理论方法分别得到误差(闭环)系统稳定性判据。从仿真实验可知,本章节所提方法可以有效降低有色噪声及执行器故障对被控系统的影响。最后,结合船舶动力定位问题展开研究,设计了一种基于故障观测器故障辨识功能的容错控制方法。本章节使用T-S模糊建模技术将船舶动力定位系统中的坐标轴转换矩阵线性化得到船舶动力定位系统的T-S模糊模型。考虑到观测器设计过程中存在的随机过程向量的影响,使用随机微分方程理论将其刻画为有色噪声并使用结合随机微分方程理论的Lyapunov理论进行分析,降低有色噪声对估计效果的影响。为了补偿故障对系统的影响,根据故障观测结果设计容错控制器使得系统能够实现最终一致有界。通过MATLAB仿真平台给出一个仿真算例,验证本章节所提方法的有效性。