[發明專利]一種水面船舶漂角補償非線性航向控制方法

在審

• 申請號: 201910908132.7
• 申請日: 2019-09-25
• 公開（公告）號: CN110515387A
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發明（設計）人: 劉志全;儲瑞婷;顧偉;高迪駒
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種水面船舶漂角補償非線性航向控制方法，所述方法至少包括：步驟1：建立漂角補償的水面船舶航向控制狀態空間非線性模型；步驟2：獲取光滑的指令航向角及其導數；步驟3：獲取航向角誤差信號；步驟4：基于Nussbaum增益方法和自適應控制方法設計航向控制規律；步驟5：判斷航向控制效果是否滿意，如果“是”則結束控制，如果“否”則更新狀態返回步驟3重新計算航向控制信號。

技術領域

本發明涉及船舶運動控制領域，特別是涉及一種水面船舶漂角補償非線性航向控制方法。

技術背景

船舶在海上航行不可避免產生六自由度搖擺運動，艏搖運動決定船舶航向保持精度，航向是船舶導航和控制工程中的重要問題。為保證艦船順利抵達目的地，以自動舵為執行機構的航向控制系統是水面常規艦船所必須安裝的。水面船舶的航向控制包括航向保持控制和轉向控制，水平面坐標系下的船舶艏搖運動如圖1所示。船舶操舵運動首先使船艏產生一個小的橫向漂角β(通常小于5°)改變船體兩側流體分布狀態，進而由船體兩側的水動力作用實現船體的轉向運動。目前的船舶航向控制算法基本是忽略此漂角作用，采用航向偏差為ψ_e＝ψ-ψ_d的形式，但是該漂角的存在會增加航向超調降低航向控制精度，因此需要進行補償。另一方面，目前應用最多的航向控制模型為一階線性Nomoto模型，該模型適合航向保持控制，但是對于轉向控制需要考慮高階非線性條件。同時，船體受海浪的時變擾動作用，必然存在模型動態不確定(未建模動態)和參數時變等問題，這些問題均需要非線性控制方法去解決。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提出一種水面船舶漂角補償非線性航向控制方法，解決船舶航向控制中的漂角補償，模型動態不確定和參數時變問題。

本發明的技術提供的解決方案是：一種水面船舶漂角補償非線性航向控制方法，具體步驟包括：

步驟1：基于一階漂角模型和二階非線性Nomoto模型，建立漂角補償的水面船舶航向控制狀態空間非線性模型；

步驟1中的水面船舶航向控制狀態空間非線性模型由如下公式表示：

其中：系統狀態定義為，x₁＝ψ表示航向角，x₂＝β代表漂角，代表航向角速度，代表航向角加速度。Δ_β為漂角模型不確定，f(x)為系統未建模動態(動態不確定)，w為外部時變擾動，g(t)為時變控制系數，u為系統控制信號，c₁和c₂為正常數的漂角模型參數標稱值。

步驟2：利用指令航向角ψ_r通過前置濾波器獲取光滑的指令航向角ψ_d及其導數

步驟2中的前置濾波器采用如下公式計算：

其中：ξ為濾波器阻尼，ω是濾波器頻率，ψ_r是目標航向角。

步驟3：根據步驟1和步驟2采集指令航向角ψ_d，航向角ψ和漂角β信號并獲取航向角誤差信號ψ_e(t)＝ψ-ψ_d+β；

步驟4：基于Nussbaum增益方法和自適應控制方法設計航向控制規律，航向控制信號u(t)通過舵機伺服系統驅動轉舵最終實現航向控制；

步驟4中的航向控制信號由如下公式表示：