[發明專利]一種面向智能船舶自動舵系統的自適應模糊最優控制方法及系統

有效

• 申請號: 201911038799.2
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN110703605B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 李鐵山;朱麗燕;單麒赫;陳俊龍;肖楊;左毅;武越
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李馨

1.一種面向智能船舶自動舵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，建立有關航向角和舵角的智能船舶自動舵系統數學模型，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，其中航向角的變化率信息為不可測得；

S2、根據預設的船舶航向理想的參數向量與系統非線性函數之間的關系得到模糊最小逼近誤差；利用模糊邏輯系統的萬能逼近原理對系統非線性函數逼近，設計用于估計非線性系統的不可測狀態的模糊狀態觀測器；通過模糊狀態觀測器與系統非線性函數之間的關系得到觀測誤差動態；

S3、基于輸出信號與參考信號之間的誤差設計智能船舶自動舵系統的虛擬控制函數、計算智能船舶自動舵系統的自適應模糊更新率；

S4、通過萬能逼近原理求解所述模糊狀態觀測器和非線性系統數學模型以及觀測誤差動態、虛擬控制函數、自適應模糊更新率，得到系統的實際控制器，此最優舵角指令傳遞給船舶舵機輸出船舶航向角，實現船舶航向的自動舵系統航向軌跡跟蹤控制；

所述步驟S1中，建立智能船舶自動舵系統數學具體模型為：

式(1)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，定義狀態變量x₁＝φ，u＝δ，將式(1)變化，得到船舶航向非線性系統數學模型：

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

所述步驟S2具體包括：

定義船舶航向系統的理想參數向量Ω和U分別是和的緊集，根據船舶航向理想的參數向量，可得模糊最小逼近誤差：

結合式(3)，系統(2)可改寫為

式中，

利用模糊邏輯系統的萬能逼近原理，系統非線性函數f₂(x₂)可以被模糊邏輯系統逼近：

為了估計系統(4)的不可測狀態，設計模糊狀態觀測器為：

定義觀測誤差e為：

由式(4)和(6)可得觀測誤差動態為:

式中，ε＝[0,ε₂]^T。

2.根據權利要求1所述的面向智能船舶自動舵系統的自適應模糊最優控制方法，其特征在于，建立智能船舶自動舵系統的虛擬控制函數α具體為：定義船舶航向控制系統誤差坐標變化方程

式中，y_r為系統跟蹤信號，為系統不可測的狀態x₂的估計值，α為虛擬控制函數，根據系統誤差方程定義虛擬控制函數α為

式中c₁＞0是待設計參數。

3.根據權利要求2所述的面向智能船舶自動舵系統的自適應模糊最優控制方法，其特征在于，智能船舶自動舵系統的自適應模糊更新率為：

式中，γ₂＞0，σ₂＞0為設計參數；

得到系統的實際控制器：

式中，c₂＞0，激活函數是有界的，即