[發(fā)明專利]基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償?shù)拇皠恿Χㄎ换？刂葡到y(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710396708.7
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107065569B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏國清;薛晶晶;陳興華;劉彩云
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 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RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償?shù)拇皠恿Χㄎ换？刂葡到y(tǒng)，包括顯控計算機(1)，導(dǎo)引系統(tǒng)(2)，擴張狀態(tài)觀測器(3)，滑模控制器(4)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器(5)，執(zhí)行機構(gòu)(6)，動力定位船舶(7)，傳感器系統(tǒng)(8)；其特征是：傳感器系統(tǒng)(8)實時采集動力定位船舶(7)的位置和角度信息，簡稱位姿信息η，并將采集到的位姿信息傳遞給顯控計算機(1)和擴張狀態(tài)觀測器(3)；顯控計算機(1)實時顯示船舶的實際位姿信號并將期望位姿階躍信號η_d0傳遞給導(dǎo)引系統(tǒng)(2)；導(dǎo)引系統(tǒng)(2)對期望位姿階躍信號進行平滑處理，得到連續(xù)的期望位姿信息η_d和其一階、二階導(dǎo)數(shù)并傳遞給滑模控制器(4)；擴張狀態(tài)觀測器(3)將船舶運動中的未建模動態(tài)、模型不確定項和環(huán)境干擾擴張成一個擴張狀態(tài)向量d，并對位姿信息和擴張狀態(tài)向量進行估計，得到擴張狀態(tài)向量估計值位姿信息估計值及其一階、二階導(dǎo)數(shù)并傳遞給滑模控制器(4)；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器(5)針對控制輸入飽和下的控制量誤差δ進行RBF逼近，得到控制量補償誤差并傳遞給滑模控制器(4)；滑模控制器(4)針對期望位姿信息和其一階、二階導(dǎo)數(shù)η_d,位姿信息估計值及其一階、二階導(dǎo)數(shù)和擴張狀態(tài)向量估計值控制輸入飽和下的控制量誤差估計進行滑模控制，得到執(zhí)行機構(gòu)(6)在輸入飽和條件下的控制量τ；執(zhí)行機構(gòu)(6)根據(jù)滑模控制器(4)輸出的控制量τ對動力定位船舶(7)進行控制，使得船舶運動到期望位姿狀態(tài)；

船舶三自由度低頻運動模型為：

其中，為船舶在慣性坐標系下的位置和姿態(tài)向量，x,y為船舶橫向和縱向位置，ψ為船舶艏向角，為船舶在慣性系下位姿信息的一階導(dǎo)數(shù)，為船舶在附體坐標系下的位姿向量，u,v為船舶橫向和縱向速度，r為船舶艏向角速度，為船舶質(zhì)量矩陣，D(υ)＞0_3×3,D(υ)＝D^Τ(υ)為阻尼系數(shù)矩陣，為科里奧利和中心力矩陣，為控制力和力矩向量，為由慢變環(huán)境干擾和未建模動態(tài)產(chǎn)生的力和力矩向量，為地固坐標系和隨體坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，其具體表示形式為：

期望位姿信息的一階、二階導(dǎo)數(shù)滿足：

其中，T_s為截止時間，ω_n導(dǎo)引系統(tǒng)振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζ為導(dǎo)引系統(tǒng)振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼比，δ為縱向路徑生成器設(shè)計參數(shù)；

狀態(tài)觀測器具體形式為：

其中，為船舶位姿向量的估計值，為船舶位姿信號一階導(dǎo)數(shù)的估計值，為船舶位姿向量估計值的一階導(dǎo)數(shù)，為船舶位姿向量估計值的二階導(dǎo)數(shù)，為擴張狀態(tài)變量的估計值，為擴張狀態(tài)變量估計值的一階導(dǎo)數(shù)，i＝1,2,3為正定矩陣，ε＞0為常數(shù)；

RBF控制算法為

δ＝{W_i^*}^Τ·{h_i(x)}+ε

其中，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，h_j,j＝1,2,…,l為高斯向量基函數(shù)的輸出向量，c_j為第j個隱含層神經(jīng)元的中心位置，b_j為高斯分布的寬度，ε≤ε_max為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差估計，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值矩陣為

則RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為

其中，為權(quán)值估計矩陣，h(x)為高斯基向量；

滑模控制律為：

其中，為增益矩陣，定義M^*＝R(ψ)MR^Τ(ψ)；

定義：

D^*＝R(ψ)D(υ)R^Τ(ψ)

b^*＝R(ψ)R^Τ(ψ)b＝b

為地固坐標系和隨體坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，R^Τ(ψ)為R(ψ)的轉(zhuǎn)置矩陣，為R(ψ)關(guān)于時間的一階導(dǎo)數(shù)，M為船舶質(zhì)量矩陣，D(υ)＞0_3×3,D(υ)＝D^Τ(υ)，D(υ)為阻尼系數(shù)矩陣，C(υ)為科里奧利和中心力矩陣，為由慢變環(huán)境干擾和未建模動態(tài)產(chǎn)生的力和力矩向量；

υ_r為中間變量，為中間變量，設(shè)η_d為期望位姿信息，定義誤差為位姿信息估計值，為增益矩陣，則為中間變量υ_r關(guān)于時間的一階導(dǎo)數(shù)；

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)律為：

其中，Γ為常值方陣，s^Τ為滑模函數(shù)向量的轉(zhuǎn)置。

2.一種基于權(quán)利要求1所述的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償?shù)拇皠恿Χㄎ换？刂葡到y(tǒng)的控制方法，其特征是：

(1)傳感器系統(tǒng)(8)實時采集動力定位船舶(7)的位置和角度信息，簡稱位姿信息η，并將采集到的位姿信息傳遞給顯控計算機(1)和擴張狀態(tài)觀測器(3)；

(2)顯控計算機(1)實時顯示船舶的實際位姿信號并將期望位姿階躍信號η_d0傳遞給導(dǎo)引系統(tǒng)(2)；

(3)導(dǎo)引系統(tǒng)(2)對期望位姿階躍信號進行平滑處理，得到連續(xù)的期望位姿信息η_d和其一階、二階導(dǎo)數(shù)并傳遞給滑模控制器(4)；

(4)擴張狀態(tài)觀測器(3)將船舶運動中的未建模動態(tài)、模型不確定項和環(huán)境干擾擴張成一個擴張狀態(tài)向量d，并對位姿信息和擴張狀態(tài)向量進行估計，得到擴張狀態(tài)向量估計值位姿信息估計值及其一階、二階導(dǎo)數(shù)并傳遞給滑模控制器(4)；

(5)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器(5)針對控制輸入飽和下的控制量誤差δ進行RBF逼近，得到控制量補償誤差并傳遞給滑模控制器(4)；

(6)滑模控制器(4)針對期望位姿信息和其一階、二階導(dǎo)數(shù)η_d,位姿信息估計值及其一階、二階導(dǎo)數(shù)和擴張狀態(tài)向量估計值控制輸入飽和下的控制量誤差估計進行滑模控制，得到執(zhí)行機構(gòu)(6)在輸入飽和條件下的控制量τ；

(7)執(zhí)行機構(gòu)(6)根據(jù)滑模控制器(4)輸出的控制量τ對動力定位船舶(7)進行控制，使得船舶運動到期望位姿狀態(tài)。