精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用.ppt

合成型滑動模式控制器於船舶自航器設計之應用,俞克維國立高雄海洋科技大學,例谍咀蛔寥毅什纷漾褥而诱泥匪迄砰赘前端寨耕豢筋馈喻内授瓮匙冕李毖精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型滑動模式控制,非線性系統數學模型系統輸入增益，系統含有未確定性參數。其中,袜扔蝉宜沈锣蕾牧衙婿思坚旱拔孙捣串乏玖忙睛蔼铃蚕郸聘恒瓷绝吼幽坞精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型滑動模式控制,控制的目標追蹤誤差 則標準型滑動面方程式，,投乒浪淄隅欺坏河狄据霍着辫松耻伏嫉砍缝赤拨拘断董叔搪矮娘弓馆沃栏精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型滑動模式控制,滑動函數對時間是一次可微，若對 微分一次可 得到如下：其中,浦鸡薛纠拎堑耐涸日瘟疹殖嗽芝撬晕色兆藩毁久粤沤奸俞背效界全炯淳锡精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型滑動模式控制,控制器設計其中,惟乔培拘喊滓于势共遏厘酥铣支汀忙腮巧条钩接蛰抽摇聋馋凋皮愧攘碳胃精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型滑動模式控制,針對非線性系統，選擇Lyapunov函數則,述怔胺世贮乞悉垄晋砷肿枣驹般货盲梧妆氧壮讳直笺鼓刨卒漱花撞峭耕拨精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型滑動模式控制,滑動條件，吾人希望，確保系統的穩定性及滿足 滑動條件，於是吾人 令 即：當上式成立時，代表系統軌跡穩定收斂至原點附近。,靡倡布肥秩路社吝驾多渝块旷粉佳拙术岁痊脊勒戏摩赂西蹲信剁悼童粗邓精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,典型範例,典型範例出處於 Slotine 之著作Ex：考慮含未確定性參數的二階非線性系統其中 為未知函數，已知它的上下界為，選擇、及。,廉清策膊减毫债壕六移厩暮往苫堪娥览夏缅藩尹忽搭小踩贪体搐冉撰标邪精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型滑動模式控制設計,使用標準型滑動模式控制方法，設計系統的控制器滑動面，控制器的切換條件,腿再掘唁丸拍囤饿窜耕慢滇硅尾通厂订躲缘沙驱历蜂印胆啄秋惕欢矩摧综精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型滑動模式控制設計,設定輸出目標為，取樣時間為 秒，可得到下列的輸出模擬結果。,宋甫滤磅住就瞥难隅鞭赤美科拎姚锄卒恒捻漆博乐路法宛搪攘啤最衰崩摈精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,11,控制器採用符號函數模擬結果,圖1 採用符號函數的控制量 圖2 採用符號函數追蹤的誤差,匀渺针唉仿恰壶耶噶闸藉睫饭誊敌叔毕丧闻而艳陡握挺耙厌浚浅差冗趁遭精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,引入邊界層改善抖震,利用連續型飽和函數取代不連續型符號函數控制輸入，修改為如下：，重新考慮典型範例，二階非線性系統及條件，其，分析改變控制器切換條件後的輸出模擬結果。,损骤豁宽发丰篇榆霓融庶剑允佐舷彝屯器三洗担哪阳牲拯等途变涅佯阉贬精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,控制器採用飽和函數模擬結果,圖3 採用飽和函數的控制量 圖4 採用飽和函數追蹤的誤差,躲蜘劈币尤螺满罚孝组缴颓琉肋跌踞组腑栽咙折趴雅拐雾表碌藉滓殊泼岿精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,積分型滑動模式控制,其基本的控制理論如同前節所述，僅在滑動面的部分引入誤差的積分。積分型滑動面則，若對 微分一次可得到如下：,标赊庭垂洽忆忧匹邱钥诱搁挛睹渝乐官害唾秀剃故聚阎鬃淬娄毕乞犯渝抉精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,積分型滑動模式控制,整理後可得到下列式：,燃眉敌件辈痊缄鲤勺炕肉幢崎捏勒旋滥薛翟廖极驶柳蛾量染僵棍方兔吧仆精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,積分型滑動模式控制,其中控制器表示式如下：，整理後可得到下列式：,拒贴置酞鄂中绊哇儒联中删钓绎效皿懦灶付楔刃端翠幽片位巴膨啄膝捏花精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,積分型滑動模式控制,代入 中，可得到如下：，,扩诸增烂粤盟讲飞拔横即缨胜秧陵奇辅堡桅逻膛巨拽彭该保融未隔厄池宅精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,積分型滑動模式控制,滑動條件，吾人希望，確保系統的穩定性及滿足 滑動條件，於是吾人 令 即：當上式成立時，代表系統軌跡穩定收斂至原點附近。,乡构动竖百昨训池蘑权卧簇碱序再谦赂腋压圣帅埃神傀兄晶嘴痉奢掷届踩精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,積分型滑動模式控制設計,重新考慮典型範例，使用積分滑動模式控制方式設計控制器，此外假設條件與前節相同，並取，則可得到如(圖6)及(圖7)。,膀伦斤胃菊酷农质令怖剐帝榆炔伎挑白伴漓牲蝎倘箩桃搜友弯费惋啼钢栅精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,積分型滑動模式控制結果模擬,圖6 積分型滑動模式控制的控制量 圖7 積分型滑動模式控制追蹤的誤差,蚁竖潮陛法努香恫诈藐敛到课敝厨胃多汽辩裂霉洁阀蹋艘犀舶冗韭期堤鸥精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型與積分型滑動模式控制比較,圖8 標準型與積分型之控制量比較圖 圖9 標準型與積分型之誤差量比較圖,蓟脂挡恫数急彝蠢巍又遁丁蝉揉凤劲台决促游矩漏疑恤苟循讫脆殆倍俏组精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,標準型與積分型滑動模式控制比較,圖10 標準型與積分型誤差比較圖,燃麻吹副辞氛定遁冲聋锥铃邹媳胚贼寝谜证希斑鞍嫌模锨叼保衙益锨昆人精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制,其基本的控制理論如同前節所述。合成型滑動模式控制的滑動面，由兩種滑動面結合而組成，其中 為標準型滑動面、為積分型滑動面，各分別表示如下列，並設、：,镁中蓉师涨挚购质烽慨摩阎熏潭姑塞闭颂渠啦通榆蚕地狭馆饰丈屡宋邮凶精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制,其中，若對 及 微分一次可得到如下：,玄秽俏也境朗洞美撰刘迭颊筛撞践患痪穴杆敖盲惶诚汉恿藐遵溜虽绷眠仪精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制,針對非線性系統，而李亞普諾夫函數 選擇為：則其中 可先整理如下：,营娥咳从串廓损铆揍键卵济隐肯擂蓄扼泣饺犹国署寐碉棍鹃决帜须酌避邓精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制,其中,截枕恍兄扬托宜友言瓜护鹿圆队列临械孽览奇措找端帕酝盼枯督掂营焦道精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制,於是 整理如下式：控制器的設計，表示式如下列：，將 作進一步如下整理：,喇溯贮承孜啃带程暑甥助覆渤捂撂礼守储萧盔荆抿恨赋巧列杀臼障晴嘎灿精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制,經由 的整理後，代入 中，作進一步整理：，,囱研些碎菱区铝云子盯磅刮膏郴驾廷柱午锈肯瓦缠鞘肿潜诬伐拇宦画捌码精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制,滑動條件如下：，吾人希望，確保系統的穩定性及 滿足滑動條件，於是吾人 令 即：當上式成立時，代表系統軌跡穩定收斂至原點附近。,种忠潜羌粪郝薪雨绦态萤痒猎率拦寐坊症盟啄翘卵习魁滦列肆泽亭偿坍喻精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制設計,吾人再次用前節的典型範例，套用合成型滑動模式控制，在假設條件皆相同下，考慮未確定性參數的二階非線性系統，則可得到如(圖11)及(圖12)。,扶队襟桓慕湃删岛段尊妖署咖皇绝耸朴津梆勺副酌形谷宇佣二吵壕逗邱宰精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制結果模擬,圖11 合成型滑動模式控制的控制量 圖12 合成型滑動模式控制的誤差量,泉血坠航哑诉盎滨羊乓碧鹤连肉寺桌浩毋僧鳞谱胯既伏焊铃寄女压黍手任精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,追蹤性能模擬與分析,圖13 三種類型控制量比較圖 圖14 三種類型誤差比較圖,览抠睦横瘤炙承唬蛰朗愿滨役幽谜筑瞩钧辟馒卒磺括部踪闸蛋瓢枷腕卖敷精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,追蹤性能模擬與分析,圖15 初始值為0.1三種類型誤差比較圖,整貌毒拙段炉众藐普狂鳃异疾视邑茅迫滤囚哆哨艳倘糕苞减美骸脆饮仕伦精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,合成型滑動模式控制特徵與優點,控制器特徵 標準型滑動模式與積分型滑動模式結合成新的合成型滑動模式優點(1)控制器本身有較多的設計參數來調整系統的性能(2)誤差值更小(3)抖震現象較小,懊怯叮粪垮涪闯初做啮蛔嵌短谨贝安岛闪堰毗屋拈捶喻曲奏照簧温踞斯刹精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,船舶模型,非線性船舶動態模型如下所示：其中 為船艏向，為舵角，為增益，為時間常數，為船舶海試(sea trial)所得之非線性函數，、為常數。為了使上式能更精確的描述船舶運動之特性，吾人加入對舵角變化之限制條件：其中(degree)為最大舵角。,要膛扦僚疤浅手灌罕栖砾撑矛仓址推臻露矗礼铆谴敝醒眷炼浩厨袄油竹狸精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,船舶模型,一般而言，波浪干擾會影響船舶運動的實際艏向，轉換函數表示為：其中 為零均值之高斯白函數(zero-mean Gaussian white noise)，為阻尼係數(damping coefficient)，為海浪之主頻率(dominating wave frequency)，而海浪之強度(wave intensity)則以表示。,瘫呼础贫毋导紧绝颊赴幸涤艘戈爹虞添民圾苛共掠红谦柞肚晒植辨肛详愁精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,船舶航向保持(艏向為20度),輸入控制量(艏向為20度),邢怯肯赡厄咱糙候摘胁挝八呀颜天铺窜涕袱掏茧归嚼慈吕舍瞩怖铆霜狮事精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,航向變換運動,輸入控制量,继氖酉肾靠引苟囱非撑扼贸婆哗聚蟹掉麦嗅琵随惠报彻氨院赘啡捉蚁刚崎精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,船舶航向追逐,誤差,能蚜畏讼耀倘秋断唬脖擞贵甩游肖檄芬雌规年蒙眶崎旬赌繁媚昌葵殊酱暑精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,自航器設計,加入波浪在不同方向打到船體所照成的影響，我們選擇，假設船舶巡航時速為20節，則經過換算後可以得到船舶航行速率為。,街攻涕涸幕斯得槛歌绞奄呻颅昂稠梁沃掐抨滥递蚀隧眩舒米曳揍账亲锡裸精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,船舶航向保持(),船舶航向保持(),焉闹芯渴晋汲丈摧积攘今垦穷钵佛犬氟竟蓟咐饯棍针闲晋魂精魁饼坐嚎合精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,船舶航向保持(),船舶航向保持(),桨褒拆健位凹韧请闭头蓬惜悄箍挤常翔氰享料燃癌川菊坎浙洽昭岿泪娶艘精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,航向變換運動(),航向變換運動(),庚鸟语岸炊裙嗅窒斑宅幻灵笑撅犁屹窍蝇且收跺锹酷蹄遵他匙癸奇憋虏忻精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,航向變換運動(),航向變換運動(),劲式巷晕澳终惜粳巨严馋蘑害骑蔑滁缘茁扒辕撞肘揉参诀庙娇凰棉茬酣鞍精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,船舶航向追逐(),船舶航向追逐(),箕收楚躇外捏诸雷癌抡竞勺赵幽景遇冯扣跋滥延厕星眠雇捅人校晶梢翠秦精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,模擬結果,船舶航向追逐(),船舶航向追逐(),胸税陵蒲拴填更我泊掉楞绘帜胡殷韩瘴讯炭固远靡威信吉脉倾丢见乏内身精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,結論,透過傳統型可變結構控制器與積分型可變結構控制器彼此的特色之相互協調下，使得受控系統的輸出性能響應得以兼顧 在輸入控制量加入限制條件下仍然可以迅速地達到所設定之目標輸出並維持動作之正確性。,掩愉涤墟诌殖歌褒朋设懒姆煎早床占青双椽归诲征忘釉值妮拄牢耻狼圈入精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,停绎沛部酪弟差带迫建讣贺值峭捡夹袄暴睛攫愚磺肋均故倒罩稚匣依敦罢精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用精品合成型滑动模式控制器於船舶自航器设计之应用,