[發明專利]一種基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制器及其控制方法

有效

• 申請號: 201410080540.5
• 申請日: 2014-03-06
• 公開（公告）號: CN103901775A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 彭秀艷;唐立志;王顯峰;王輝;賈書麗
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制器，包括T-S模糊控制器模塊、船舶橫向運動參考模型模塊、首搖角速度和橫搖角速度觀測器模塊、舵機伺服系統的模擬模塊及控制效果的模擬仿真分析模塊，其特征在于：T-S模糊控制器模塊的輸入信號為橫漂速度v、實際首搖角信號ψ、實際輸出的橫搖角信號首搖角速度和橫搖角速度輸觀測器模塊輸出的橫搖角速度和首搖角速度期望航向指令ψ_d；舵機伺服系統模擬模塊的輸出端與船舶橫向運動參考模型模塊輸出端橫搖角、首搖角信號被引出，輸入給首搖角速度和橫搖角速度輸觀測器模塊，經過觀測，作為輸入信號端，引入T-S模糊控制器模塊；船舶橫向運動參考模型模塊的輸出為船舶的實際橫搖角信號和首搖角信號，將每個信號分為兩支分別引入控制效果模擬仿真分析模塊和T-S模糊控制器模塊；期望航向指令被引出，輸入給T-S模糊控制器模塊。

2.一種基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制方法，其特征在于：

（1）描述船舶橫向運動數學非線性模型：

其中u為縱蕩速度，為縱蕩加速度，v為橫蕩速度，為橫蕩加速度，r為首搖角速度，為首搖角加速度，p為橫搖角速度，為橫搖角加速度，為橫搖角，x_G為船舶質心到x軸距離，z_G為船舶質心到z軸距離，I_z為船體對y-z平面的轉動慣量，I_x為船體對x-y平面的轉動慣量，▽為船舶的排水量，g為重力加速度，ρ是水的密度，是重心G到穩心M的距離，是恢復力臂，而X,Y,N和K分別代表水動力力和力矩；

（2）將非線性船舶橫向方程轉化為T-S模糊模型：

對非線性系統進行線性化，用船舶橫向運動數學非線性模型，忽略其一階以上的高階項，有5個狀態變量：

簡化后為：

x·=Ax+Bu=E-1Fx+E-1Gδy=Gx,]]>

E=m-Yv·mxG-Yr·-mzG-Yp·00mzG-Nv·Iz-Nr·-Np·00-mzG-Kv·-Kr·Ix-Kp·000001000001,]]>

G=Yδ+ΔuYδuNδ+ΔuNδuKδ+ΔuKδu00,]]>

C=0001000001,]]>

其中E是慣性系數矩陣，F是粘性力系數矩陣，G是舵力系數矩陣.A＝E^-1F是系統系數矩陣，B＝E^-1G系統輸入矩陣，u＝δ是船舶的輸入量-舵角，根據F矩陣的形式構造出其增量矩陣F'：

使F₀＝F+F'變為：

x·=Ax+Bu=E-1F0x+E-1Gδ,]]>

T-S模糊系統模糊規則的一般形式如下：

系統的模糊規則i：IFz1(t)isM1iand......zp(t)isMpi,THEN]]>

x·(t)=Aix(t)+Biu(t)i=1,2,...,r.,]]>

其中是模糊集合,j＝1,2,…,p，r是模糊規則數，x(t)∈Rⁿ是狀態向量，u(t)∈R^m是輸入向量，A_i∈R^n×n，B_i∈R^n×m，z(t)＝[z₁(t),…,z_p(t)]′是模糊系統的狀態變量；

對給定的數對(x(t),u(t))，采用單點模糊法、乘積推理、加權平均法反模糊化，T-S模糊系統的總體模型為

x·(t)=Σi=1rwi(Aix(t)+Biu(t))/Σi=1rwi;]]>

式中wi=Πj=1pMji(zj(t))]]>為第i條規則的隸屬度，令hi(z(t))=wi/Σi=1rwi,]]>則

x·(t)=Σi=1rhi(z(t))(Aix(t)+Biu(t)),]]>

h_i(z(t))代表第i個局部線性子系統在系統總體模型中所占比重，是由各狀態變量的模糊隸屬度函數確定，且0≤hi(z(t))≤1,Σi=1rhi(z(t))=1,]]>是z_j(t)關于模糊集合的隸屬度函數；

（3）利用并行分配補償法設計T-S模糊控制器，

模糊控制規則i：IFz1(t)isM1iand......zp(t)isMpi,THEN]]>

u(t)＝-K_ix(t),i＝1,2,…,r.，

整個狀態反饋控制律為各控制器的線性組合，即

u(t)=-Σi=1rhi(z(t))Kix(t),]]>

且0≤hi(z(t))≤1,Σi=1rhi(z(t))=1,]]>得到T-S閉環模糊系統為

x·(t)=Σi=1rΣj=1rhi(z(t))hj(z(t))(Ai-BiKj)x(t),]]>

（4）確定T-S模糊系統的穩定性條件，并且將穩定性條件轉化成線性矩陣不等式：

如果T-S閉環模糊系統存在正定矩陣P，使線性矩陣不等式：

G_ii^TP+PG_ii＜0，i＝1，2，...，r，

(Gij+Gji2)TP+P(Gij+Gji2)<0,i<j≤r,]]>

成立，則閉環模糊系統是漸近穩定的，其中，G_ij＝A_i-B_iK_j，

W＝P^-1,M_i＝K_iW,則，

W＞0

WAiT+AiW-MiTBiT-BiMi<0]]>

WAiT+AiW+WAjT+AjW-MjTBiT-BiMj-MiTBjT-BjMi≤0,i<j]]>

如該不等式有解，閉環模糊系統是漸近穩定且

（5）將輸入約束的條件加入控制器設計當中，轉化成線性矩陣不等式，對控制器進行增益求解：

對所有t≥0，控制輸入滿足約束條件：||u(t)||₂≤μ，

IxT(0)x(0)W≥0,WMiTMiμ2I≥0,]]>

如果LMI有可行性解，則閉環模糊系統全局漸近穩定，獲得T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制器；

（6）觀測首搖角速度和橫搖角速度的數值輸入到T-S模糊控制器模塊中：

（6.1）獲得舵減橫搖系統閉環的狀態空間方程；

（6.2）確定系統期望極點分布P_i；

（6.3）求取系統反饋增益L；

（6.4）檢驗系統性能；

x^·=Ax^+Bu+L(y-y^)y^=Cx^,]]>

為狀態觀測器所估計的狀態，為為狀態觀測器估計的輸出值，L是觀測器增益矩陣。