船舶航向保持最小参数化局部加权投影回归控制研究

自动舵是船舶导航系统中不可缺少的重要设备，其中航向保持控制算法是自动舵性能的保障。现有的基于在线逼近理论的控制器设计不能够对未知非线性系统进行精确建模，本项目旨在利用局部加权投影回归算法在逼近高维未知非线性系统时的独特优点，根据船舶动态系统当前所处相平面中的不同区域，自动地调整局部加权投影回归逼近系统结构，针对一类严格反馈型非线性系统设计鲁棒自适应反演控制律，并用于船舶航向控制器。该设计能够避免由于逼近误差而在控制器中引入的监督控制项，解决由此带来的执行机构饱和与频繁操舵问题，使自适应律最小参数化以降低计算量和复杂性。并在大型船舶操纵模拟器上进行半物理仿真实验，检验航向保持控制器的效果。本研究使自动舵参数易于设定，舵角变化平滑，控制闭环系统稳定可靠，将局部加权投影回归逼近理论的优点与船舶航向保持控制器设计的需求对接，提供一种自动舵控制律设计的新途径，有重要的学术意义和实用价值。

本研究利用自主研发的功能完备的航海模拟器，采用软件仿真和航海模拟器半物理仿真手段，围绕基于局部加权投影回归算法的船舶航向控制器设计，取得了三个方面的研究成果：.　　(1) 研究了基于逼近理论的自适应反演控制器设计。设计了一种船舶航向自适应反演控制器，使用滤波反演方法设计了船舶自适应径向基函数神经网络控制器，利用命令滤波方法对一类摄动严反非线性系统设计自适应模糊跟踪控制器。.　　(2) 研究了基于线性矩阵不等式的控制器设计。对一类具有状态和输入时滞中立系统设计了鲁棒故障检测和隔离方法，利用高木菅野模型研究了一类非线性奇异时滞系统的保性能控制器设计，对一类时滞非线性系统设计了H∞滤波器。.　　(3) 研究了航海模拟器中的船舶运动数学模型。建立了航海模拟器中小水线面双体船的运动数学模型，基于势流理论获取拖轮间相互水动力作用的数学模型，得到了航海模拟器中浮标的六自由度运动模型并进行了可视化建模。.　　上述基于局部加权投影回归算法的船舶航向控制器设计方法，能够避免在由于逼近误差引入的监督控制项，解决由此带来的执行机构饱和与频繁操舵问题。使得自适应参数最小化，降低了计算量和复杂性，具有较强的工程实用性，并且研究结果为船舶运动控制领域控制器设计提供了一种新的思路和方法。