输入饱和约束下欠驱动水面舰艇的抗干扰控制策略研究

为解决欠驱动水面舰艇(USV)在动态环境中面临的输入饱和和复合干扰问题，研究人员提出了一种基于频域分析的抗干扰控制策略。该研究通过设计新型扰动观测器实现低频干扰实时估计，结合简化辅助动态系统处理输入饱和，最终通过Lyapunov稳定性分析验证了闭环系统的鲁棒性。实验表明该策略显著提升了USV在复杂海况下的控制性能，为海洋工程装备自主控制提供了新思路。

　　

海洋环境中欠驱动水面舰艇(Underactuated Surface Vessels, USV)的控制一直面临三大核心挑战：复杂流体动力学导致的模型不确定性、仅配备推进和转向系统的欠驱动特性，以及执行器输入饱和引发的性能退化。传统方法如滑模控制(SMC)存在高频抖振问题，神经网络控制面临实时计算压力，而基于Lyapunov框架的扰动观测器需要苛刻的干扰可微假设。这些问题严重制约了USV在海洋监测、资源勘探等领域的应用可靠性。

针对这些瓶颈问题，国内研究人员在《Ocean Engineering》发表了一项创新研究。该团队通过融合频域分析方法和新型控制架构，构建了包含三个关键技术模块的解决方案：首先采用"手位置变换"(hand position approach)将欠驱动系统转化为全驱动形式；随后设计基于复频域分析的扰动观测器，通过传递函数分析证明其低频干扰估计能力，避免了传统方法对干扰可微性的要求；最后引入简化结构的辅助动态系统处理输入饱和，相比传统级联结构减少了参数调节复杂度。

USV模型
研究基于三自由度水平面运动方程，通过旋转矩阵J(ψ)和惯性矩阵M₁₁、M₂₂等参数建立动力学模型，其中μ=m₂₂m₃₃-m₃₂m₂₃表征系统耦合特性。模型转换后得到包含复合干扰σ和控制输入τ的积分串联形式，为后续控制设计奠定基础。

扰动观测器设计
创新性地提出具有ζ辅助变量的观测器结构：观测器输出L?(t)=ζ+K_oη?₂，通过微分方程ζ?=-K_o[J(ψ)M_*τ?+L?(t)]实现更新。频域分析表明，该设计在复平面左半部分配置极点K_o,u、K_o,r，其传递函数G(s)=K_o/(s+K_o)确保对低频干扰的精确跟踪，且无需干扰导数有界假设。

抗干扰控制策略
结合扰动观测器与简化辅助动态系统，构建控制律τ=-K_pe-K_d?+α，其中α为饱和补偿项。通过构造Lyapunov函数V=1/2e^TPe证明闭环系统全局渐近稳定，实验显示在浪高1.2米海况下跟踪误差降低62%。

这项研究的突破性在于：首次将复频域分析引入USV扰动观测器设计，突破了传统Lyapunov方法的理论局限；提出的简化辅助动态系统比级联结构减少40%调节参数；仅需USV左-右对称的弱假设，显著提升工程适用性。该成果为智能船舶在复杂海洋环境中的自主作业提供了可靠的控制范式，相关频域分析方法可拓展至其他欠驱动系统的抗干扰控制设计。