[發明專利]面向船舶航向非線性離散系統的自適應模糊最優控制方法及系統

有效

• 申請號: 201811126116.4
• 申請日: 2018-09-26
• 公開（公告）號: CN109188909B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 李鐵山;朱麗燕;單麒赫;陳俊龍;左毅
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05B13/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李馨

1.一種面向船舶航向非線性離散系統的自適應模糊最優控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、將采集到的航向信息傳送給船載計算機，船載計算機考慮船舶穩態回轉非線性特性建立有關所述航向信息的船舶航向離散非線性控制系統數學模型，所述航向信息包括根據船舶舵機測量的舵角數據和羅經測量的當前航向角數據；

S2、對所述船舶航向離散非線性控制系統數學模型離散化處理，設計有關船舶航向離散非線性控制系統數學模型的虛擬控制器，根據船舶航向離散非線性控制系統數學模型的輸出與預設的第一時刻的參考軌跡點相比對得到船舶航向軌跡跟蹤誤差，通過所述船舶航向軌跡跟蹤誤差與預設的下一時刻的參考軌跡相結合確定用于控制并鎮定所述船舶航向離散非線性控制系統的鎮定函數；

S3、根據預設的閾值評判所述船舶航向軌跡跟蹤誤差值從而確定設計性能指標，根據所述設計性能指標確定效用函數，利用模糊邏輯系統的萬能逼近原理求解所述效用函數，根據最優貝爾曼控制原理求解所述設計性能指標和效用函數的關系從而得到評價誤差，根據梯度下降規則求解關于所述評價誤差的目標函數，求得最優評價信號指標；

S4、根據所述最優評價信號指標計算船舶航向離散非線性系統的自適應模糊更新率，通過萬能逼近原理求解所述虛擬控制器和自適應模糊更新率，得到系統的實際控制最優舵角指令，通過計算的所述實際最優舵角指令，傳遞給船舶舵機輸出船舶航向角，實現船舶航向的自適應模糊最優控制；

具體地，所述步驟S1中，考慮船舶穩態回轉非線性特性，建立船舶航向非線性系統數學模型為：

式中，為航向角，δ為舵角；K是船舶回轉性指數，T為船舶跟從性指數，為未知的非線性函數；

所述步驟S2具體包括如下步驟：

S21、定義狀態變量x₁＝φ，u＝δ，將式(1)經離散化，得到船舶航向離散非線性控制系統數學模型：

式(2)中，x_i,i＝1,2為系統的狀態，u(k)系統的輸入，y_k為系統的輸出，f₂(x₂(k))為未知的不確定函數，p＝K/T為控制增益；

S22、定義船舶航向軌跡跟蹤誤差為e₁(k)＝x₁(k)-y_d(k)，y_d(k)為光滑有界的參考軌跡，根據船舶航向軌跡跟蹤誤差得：

e₁(k+1)＝x₁(k+1)-y_d(k+1)＝x₂(k)-y_d(k+1) (3)

式中，x₂(k)為式(3)的虛擬控制輸入；

S23、定義誤差變量e₂(k)＝x₂(k)-α₁(k)，α₁(k)為鎮定函數，設計鎮定函數α₁(k)為：

α₁(k)＝c₁e₁(k)+y_d(k+1) (4)

式中c₁為待設計常數；

所述步驟S3具體包括如下步驟：

S31、基于追蹤誤差e₁(k)，設計性能指標q(k)為

式中c∈R為閾值；

S32、根據性能指標q(k)定義效用函數C(k)為

式中β＞0是加權系數，利用模糊邏輯系統的萬能逼近原理，得

式中為理想可調參數向量，為模糊基函數向量，為逼近誤差；

S33、根據最優貝爾曼控制原理，得評價誤差e_c(k)：

式中理想估計參數向量，為的轉置，是C(k)的估計；

S34、根據式(8)，定義最優評價信號指標的目標函數為為使目標函數E_c(k)達到最小化，根據梯度下降規則，求得最優評價信號指標：自適應律為

式中自適應增益參數γ_c＞0；

所述步驟S4具體包括如下步驟：

S41、定義為使目標函數達到最小化，基于梯度下降規則，求得自適應律為

式中γ＞0為自適應增益；

S42、基于上述各步驟建立的帶有評價信號的模糊邏輯系統，利用萬能逼近定理對船舶航向非線性系統中存在的未知函數進行逼近，得到系統的實際控制器：

式中，激活函數是有界的，即