[發明專利]一種基于事件驅動的廣義預測自適應補給船航向控制方法

有效

• 申請號: 201610859143.7
• 申請日: 2016-09-28
• 公開（公告）號: CN106325071B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 王元慧;王莎莎;付明玉;王成龍;庹玉龍;趙亮博;張放;張博;沈佳穎;葛然
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于事件驅動的廣義預測自適應補給船航向控制方法，其特征在于：

第一，選用工作在離散狀態下的離散事件觸發器，設計變閾值下的觸發判定函數，在到達觸發時刻時，事件觸發器通過觸發判定函數判斷當前狀態是否滿足觸發條件；

定義時間段為t∈[t_k,t_k+1)，時間觸發器的采樣周期為固定間隔T，事件下一個觸發時刻表示為：

其中：h為觸發周期，0＜h＜T,γ((h+1)T)為事件觸發器判斷觸發的閾值，為指數遞減函數，參數范圍ε＞1,0≤α≤1,ε₀≥0；e(hT)為hT時刻的觸發偏差；k∈N為整數

所述觸發判定函數Γ(s(ψ,e))為：

式中：ψ為船舶航向，ψ_di為接收船的航向，ψ_i為補給船的航向，e_ADRC為控制器前一觸發時刻與當前時刻的偏差，e為觸發偏差，θ為e_ADRC調節因子，σ、μ為正態分布函數的參數，κ為閾值調節因子，s(ψ,e)表示在t≥0的情況下觸發方程s(t⁺_k+1)＝b(s(t_k+1))的解，s＝[ψ^Τ e^Τ]，且觸發條件是：滿足觸發判定函數的上下界之間的值；

第二，通過補給船低頻運動數學模型得出舵角-航向的受控自回歸積分滑動平均模型作為預測模型，采用遺忘因子遞推最小二乘法對預測模型的參數進行在線估計；

第三，結合事件驅動觸發器將需要控制的狀態發送給控制器，控制器通過GPC自適應算法解算后輸出舵角控制增量和控制量，實現補給船快速完成靠近階段和并行階段并保持補給階段的航向跟蹤。

2.根據權利要求1所述的一種基于事件驅動的廣義預測自適應補給船航向控制方法，其特征在于：

補給船低頻運動數學模型的狀態方程為：

式中：狀態向量X＝[u v r]^T分別為橫向速度、縱向速度和角速度，系數矩陣A(k)為時變矩陣，控制向量U＝[F_x F_y F_n]^T表示推力器在縱蕩、橫蕩和艏搖三個方向上產生的力和力矩，B為定常矩陣，得出：

式中：m為補給船的質量，I_z為轉動慣性矩，x_G為補給船重心G點橫坐標值，其余均為水動力參數；u、v、r分別表示橫向速度、縱向速度、艏搖角速度；

將補給船的低頻運動數學模型離散化后得出：X(k+1)＝G(k)X(k)+HU(k)，且有

經過離散化和參數的在線估計，表述成航向角ψ與舵角δ的預測模型為：

其中：Δ＝1-z^-1是差分算子，ψ(k)、δ(k-1)和ξ(k)分別是系統輸出、系統輸入和均值為零、方差為σ²的白噪聲，z表示離散化后的變量算子，A₁＝-{I+G(k-2)[G(k-2)+I]^-1[G(k-1)+I]}，A₂＝G(k-2)[G(k-2)+I]^-1[G(k-1)+I]，參數表示A₁,A₂,B₀,B₁的估計值。

3.根據權利要求2所述的一種基于事件驅動的廣義預測自適應補給船航向控制方法，其特征在于：

由預測模型得到矩陣多項式：

并引入丟番圖方程：

得到預測輸出的向量形式為：

ψ＝GΔδ+F(z^-1)ψ(k)+H(z^-1)Δδ(k-1)

式中：ψ＝[ψ(k+1)^T,...,ψ(k+N₁)^T]^T，Δδ＝[Δδ(k)^Τ,...,Δδ(k+N_u-1)^Τ]^Τ，E′_j,F_j,G′_j,H_j為j時刻的多項式，

而性能指標函數為：其中：Δδ(k+j)＝0,j＝N_u,…,N₁，N_u為控制時域，N₁為最大預測時域，λ(j)是大于零的控制加權系數，ψ_r(k)有界為期望艏向設定值；

將預測輸出的向量帶入至性能指標函數的向量表達式中，得到未來控制時域內最優控制增量為：

ψ＝(G^ΤG+λI)^-1G^Τ[ψ_r-F(z^-1)ψ(k)-H(z^-1)Δδ(k-1)]

定義(G^ΤG+λI)^-1G^Τ的前n行記為P^Τ＝[P₁,…,P_N1]、

則舵角控制增量為：Δδ(k)＝P^Τ[ψ_r-F(z^-1)ψ(k)-H(z^-1)Δδ(k-1)]，

控制量為：δ(k)＝δ(k-1)+Δδ(k)。