[發明專利]基于自適應模糊估計器的濾波反步船舶運動控制系統

有效

• 申請號: 201310551643.0
• 申請日: 2013-11-07
• 公開（公告）號: CN103592846A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 夏國清;邵興超;欒添添;楊月
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種船舶運動控制系統。

背景技術

近年來，豐富的海洋資源吸引著各國的目光，而各國也將注意力越來越多地投向了海洋工程和海洋開發。隨著人們海上活動的日益頻繁，與船舶控制相關領域受到研究人員的廣泛關注，船舶航向控制、航跡控制、路徑跟蹤以及動力定位技術等，也成為控制領域研究的熱點。

在船舶運動控制器的設計過程中，絕大多數非線性控制方法都是基于模型信息的，而通常建立精確系統模型是十分困難的，因此針對模型存在未知信息時的船舶運動研究基于自適應模糊估計器的非線性控制方法是很有必要的。此外，利用常規反步法進行控制器設計的過程中，需要在每一步對虛擬控制量進行求導，如果系統階數增加，不僅使得求導過程復雜，也對系統特性有一定要求。為了避免在反步控制器設計過程中對虛擬控制量進行求導，引入二階濾波器對虛擬控制量及其導數進行逼近，以簡化控制器的設計過程；濾波器的引入也可以增強控制器對噪聲的抑制能力。目前，大多數文獻對動力定位等全驅動船舶的運動控制研究都沒考慮推進器的動態特性，只是單純的將控制指令直接作為控制力和力矩作用于船上，這與實際系統存在一定的差別。

經文獻檢索發現，華南理工大學周洪波等在《控制與決策》(2012年第4期)發表的文章《基于濾波反步法的無人直升機軌跡跟蹤控制》針對無人直升機設計了濾波反步法的軌跡跟蹤控制器，用濾波器對虛擬控制量及其導數進行逼近，而不是直接對虛擬控制量進行求導，簡化了控制器設計；華南理工大學賀躍幫等在《華南理工大學學報》(2013年第2期)發表的文章《無人直升機魯棒積分濾波反步法飛行控制設計》對濾波反步法在無人直升機軌跡跟蹤中的應用進行了深入研究，并通過引入積分項和魯棒項提高閉環系統的抗干擾能力。但是以上研究均是針對模型已知的系統進行的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種針對模型存在未知非線性函數時的基于自適應模糊估計器的濾波反步船舶運動控制系統。

本發明的是這樣實現的：

包括控制系統2、導引系統4、微分同胚變換器6、數據處理系統7和傳感器系統12；導引系統4根據輸入的期望值與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據該路徑得到船舶在各個時刻的期望位置、期望艏向及期望速度；所述傳感器系統12包含位姿傳感器11和速度傳感器10，位姿傳感器11采集的船舶實際位置和艏向角與速度傳感器10采集到的船舶運動速度信息一同傳遞給數據處理系統7；經數據處理系統7中的數據融合系統9及濾波系統8的處理得到船舶的低頻位姿信息和速度信息傳遞給微分同胚變換器6，經狀態變換后得到新的狀態變量；新的狀態變量傳遞給控制系統2的濾波反步控制器3和自適應模糊估計器5，自適應模糊估計器5同時接收導引系統4和微分同胚變換器6的數據，對控制器所需的未知非線性函數進行估計，也包含了對低頻干擾的估計；濾波反步控制器3同時接收導引系統4提供的期望信息及其導數、微分同胚變換器6提供的新的狀態變量信息，以及自適應模糊估計器5提供的對未知非線性函數的估計輸出，經解算得到相應的控制指令信息，調整船舶的縱向推力、橫向推力及轉首力矩，實現對船舶的準確控制。

本發明還可以包括：

1、所述自適應模糊估計器5同時接收導引系統4和微分同胚變換器6的數據，對控制器所需的未知非線性函數進行估計是指：控制系統2中的自適應模糊估計器5，根據微分同胚變換器6所提供的新的狀態變量，以及導引系統4提供的期望信息，按照給定的自適應律，通過模糊邏輯系統對未知的非線性函數及低頻干擾進行綜合估計，得到濾波反步控制器中所需的非線性函數。

2、控制系統2中的濾波反步控制器3中引入二階濾波器，通過濾波器對虛擬控制量及其導數進行逼近。

本發明的主要特點體現在：

1)導引系統4通過給定的期望目標與船舶的初始位置，生成一條光滑的期望路徑，根據該路徑可以得到各時刻船舶的期望位姿及其導數，使得船舶經過勻加速、勻速、勻減速的過程，最后以期望的艏向穩定在期望位置；將得到的期望位姿及其導數傳遞給控制系統2以供估計未知非線性函數和解算控制指令。

2)傳感器系統12分為位姿傳感器11和速度傳感器10，這些傳感器將采集的信息傳遞給數據處理系統7，供其處理以得到所需的數據。

3)數據處理系統7包括數據融合系統9和濾波系統8，數據融合系統9將多種多個傳感器采集的數據進行融合，得到對應的信息，然后經濾波系統8濾波，得到最終用于控制系統2的船舶運動信息，并傳遞給微分同胚變換器6。