摘要:船舶航向控制对于衡量船舶性能的好坏占有举足轻重的部分。 大力发展和研究船舶航向控制技术，能够更好地保障船舶在水域中安全、经济地航行。 所谓很好的控制船舶航向，就是指船舶能按照人们预设航向前行，具有一定的航向保持能力。船舶具有大惯性、非线性和受环境干扰等特点，船舶在航行过程中不光会受到船舶模型参数的波动影响，而且也会受到船舶在水域中航行中的风、浪、流等外界的干扰，这些因素增加了控制器设计复杂程度和难度，因此，我们需要将有效的控制算法运用到船舶航向控制器设计中。

非线性理论的发展使得船舶航向控制器设计可以运用各种有效的控制算法和理论，其中Backstepping法就是其中之一。它在构造反馈控制律的同时，也构造相关的Lyapunov函数，以此循环设计。这种方法能很有效的处理带有不确定项干扰的非线性系统问题。在本文中，我们将以带有匹配不确定项的 Norrbin非线性运动模型为基础，运用 Backstepping法和非线性干扰观测器来设计船舶航向抗干扰控制器。

最后通过对设计好的控制器进行仿真，并且通过设计船舶航向PID控制器，通过观察各种情况下的仿真结果，验证控制器的有效性。

关键词：Backstepping；非线性干扰观测器；Lyapunov；船舶航向控制；PID

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论-1

1.1 研究背景及意义-1

1.2 非线性控制理论的发展-1

1.3 课题的提出-2

1.4 本文的主要内容-4

第二章 船舶运动数学模型的建立-5

2.1 船舶平面坐标系-5

2.2 建立船舶运动数学模型-6

2.2.1 Nomoto线性数学模型-7

2.2.2 Norrbin非线性数学模型-8

2.2.3船舶运动中的干扰-8

2.3 本章小结-9

第三章 控制器设计的预备知识-10

3.1 一般概念的稳定性-10

3.2 Lyapunov稳定性理论-10

3.3 Lyapunov直接法-11

3.4 Backstepping方法-13

3.5 本章小结-16

第四章 船舶航向控制器设计-17

4.1 船舶航向原理以及控制性能指标-17

4.1.1 船舶航向原理-17

4.1.2 船舶航向控制性能指标-18

4.2 非线性干扰观测器-18

4.3 经典PID控制-20

4.4 船舶航向控制器设计-21

4.4.1 无干扰船舶航向控制器设计-21

4.4.2 船舶航向抗干扰控制器设计-23

4.5 仿真验证-24

4.5.1 无干扰情况下的船舶航向反步控制的仿真验证-24

4.5.2 有干扰情况下的船舶航向反步控制仿真验证-26

4.5.3 有干扰情况下的船舶航向PID控制器仿真验证-28

4.5.4 基于干扰观测器的船舶航向控制器仿真验证-30

4.6 本章小结-32

第五章 结论-33

参考文献-34

致谢-35