海洋水面船舶先进控制理论与方法

中国水利水电出版社

【作者】祝贵兵著

【I S B N 】978-7-5226-2492-1

【责任编辑】鞠向超

【适用读者群】本专通用

【出版时间】2024-05-01

【开本】16开

【装帧信息】平装（光膜）

【版次】第1版第1次印刷

【页数】200

【千字数】203

【印张】12.5

【定价】￥72

【丛书】暂无分类

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本书系统深入地总结作者多年来在水面船舶运动控制理论、方法等方面所取得的主要研究成果，内容涵盖全驱动与欠驱动水面船舶的轨迹跟踪控制问题，设计方法包括Backstepping、动态面控制技术、有限时间等。在此基础上，结合参数自适应技术、观测器技术、自适应神经网络技术等，提出船舶运动自适应状态反馈和输出反馈控制策略，形成一套先进的水面船舶运动控制理论与方法。

本书可供船舶与海洋工程、交通运输工程、控制科学与工程等学科的研究生和自动化、航海技术、轮机工程等专业的高年级本科生使用，也可供相关领域的学者和工程技术人员参考。

进入二十一世纪，海洋再次成为世界关注的焦点。在经济与技术的发展和推进过程中，海洋经济已经成为我国经济发展的战略要地，同时也顺应世界经济发展潮流。作为当今海洋经济发展的重要载体，水面船舶的研究与开发再次被推向了一个新高度。另外，随着海上贸易不断增多，船舶的安全性、经济性及舒适性也进一步得到重视，这迫使船舶运动控制问题得到关注。当今，智能航运已经被提高到了国家战略层面，而水面船舶作为智能航运发展的有机载体已经凸显其重要性。船舶的自主控制是实现高度无人化、自主化的必经之路，因此如何安全、精确地实现水面船舶的自主控制是当前所面临的机遇与挑战。

近年来，随着海洋工业向深海方向发展，船舶运动控制问题引起了相关研究团队的高度重视。本书研究水面船舶实际航行过程中的问题，针对由风、浪、流等引起的外部环境扰动，由建模技术、船舶操纵环境等引起的船舶模型参数摄动等引起的参数不确定、动态不确定等，传感设备的测量不确定性，推进系统的物理约束，以及突发性故障等引起的全驱动与欠驱动水面船舶的轨迹跟踪控制设计难题，提出船舶运动自适应状态反馈和输出反馈控制策略，形成一套先进的水面船舶运动控制理论与方法，研究内容较为系统全面。本书汇聚了作者多年来的研究成果，撰写过程中充分吸收了国内外船舶运动控制理论研究的前沿成果，以期成为该领域在校本科生与研究生、相关科技工作者及工程技术人员的参考书籍。

本书共9章。第1章为绪论；第2章为船舶运动数学模型与基础理论；第3章为输入饱和约束下MSV鲁棒自适应跟踪控制；第4章为具有预定义性能的MSV自适应神经输出反馈跟踪控制；第5章为基于复合学习的船舶动态事件触发跟踪控制；第6章为基于神经网络扰动观测器的欠驱动船舶有限时间跟踪控制；第7章为基于事件触发复合学习欠驱动MSV有限时间跟踪控制；第8章为基于单参数学习的欠驱动水面船舶有限时间跟踪控制；第9章为输入饱和下欠驱动船舶自适应神经容错跟踪控制。

本书获得浙江省自然科学基金项目（LY21E090005）、舟山市科技局项目（2022C41006）、浙江海洋大学人才基金项目的资助。研究生喻淑兰、吴晨、李俊辉等参与了本书内容的部分研究工作及书稿的整理、校对工作。另外，本书在撰写过程中还得到了武汉理工大学马勇教授、浙江海洋大学潘宝峰博士等的帮助与支持，在此对他们表示由衷的感谢。

由于作者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指教。

前言
第1章绪论 1
1.1 Backstepping设计方法概述 1
1.1.1 Backstepping简介 1
1.1.2 积分器Backstepping 1
1.1.3 自适应控制器Backstepping 3
1.2 船舶运动控制概述 5
1.2.1 船舶运动控制任务 5
1.2.2 船舶运动控制技术分类 7
1.3 船舶跟踪控制现状 9
1.3.1 船舶航迹跟踪控制设计方法 9
1.3.2 船舶内外部不确定 10
1.3.3 执行物理约束 12
1.3.4 输出受限 13
参考文献 14
第2章船舶运动数学模型与基础理论 23
2.1 三自由度数学模型 23
2.1.1 坐标系建立 23
2.1.2 六自由度运动数学模型 25
2.1.3 三自由度运动全驱动船舶数学模型 26
2.1.4 三自由度运动欠驱动船舶数学模型 27
2.2 相关理论 29
参考文献 31
第3章输入饱和约束下MSV鲁棒自适应跟踪控制 32
3.1 问题描述 32
3.2 状态/输出反馈控制设计 34
3.2.1 状态反馈控制律设计 34
3.2.2 输出反馈控制律设计 39
3.2.3 仿真验证 42
3.3 有限时间控制律设计 50
3.3.1 控制律设计 51
3.3.2 稳定性分析 55
3.3.3 仿真验证 56
3.4 结论 62
参考文献 62
第4章具有预定义性能的MSV自适应神经输出反馈跟踪控制 66
4.1 问题描述 66
4.2 控制设计 67
4.2.1 观测器设计 67
4.2.2 性能函数与跟踪误差转换 70
4.2.3 控制律设计与稳定性分析 71
4.3 仿真验证 76
4.3.1 控制方案有效测试 77
4.3.2 噪声容忍测试 81
4.3.3 性能比较 83
4.4 结论 85
参考文献 86
第5章基于复合学习的船舶动态事件触发跟踪控制 90
5.1 问题描述 90
5.2 控制设计 91
5.2.1 观测器设计 91
5.2.2 控制律设计 95
5.3 稳定性分析 100
5.4 仿真验证 103
5.4.1 控制方案的有效性测试 105
5.4.2 DETP和静态ETP下的性能比较 109
5.4.3 不同参数下的性能比较 110
5.5 结论 110
参考文献 111
第6章基于神经网络扰动观测器的欠驱动船舶有限时间跟踪控制 114
6.1 问题描述 114
6.2 控制律设计 115
6.3 稳定性分析 121
6.4 仿真验证 126
6.5 结论 131
参考文献 131
第7章基于事件触发复合学习欠驱动MSV有限时间跟踪控制 134
7.1 问题描述 134
7.2 控制设计 134
7.3 仿真验证 142
7.4 结论 149
参考文献 150
第8章基于单参数学习的欠驱动水面船舶有限时间跟踪控制 151
8.1 问题描述 151
8.2 坐标变换 152
8.3 控制设计与稳定性分析 155
8.3.1 控制律设计 155
8.3.2 稳定性分析 160
8.4 仿真验证 161
8.4.1 性能测试与对比研究 161
8.4.2 鲁棒性测试 167
8.5 结论 169
参考文献 169
第9章输入饱和下欠驱动船舶自适应神经容错跟踪控制 172
9.1 问题描述 172
9.2 坐标变换 173
9.3 控制设计与稳定性分析 177
9.4 仿真验证 184
9.5 结论 188
参考文献 189

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