[發明專利]一種智能船舶自動舵系統的模糊自適應輸出反饋有限時間控制方法及系統

在審

• 申請號: 202010053793.9
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111221335A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 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: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 徐華燊;李洪福

1.一種智能船舶自動舵系統的模糊自適應輸出反饋有限時間控制方法，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和自動舵系統中舵角輸入有界特性，建立有關航向角和受限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、利用模糊邏輯系統的通用逼近原理，對自動舵系統中的未知非線性函數進行逼近，并設計用于估計自動舵系統不可測狀態的模糊狀態觀測器；通過模糊狀態觀測器與自動舵系統之間的關系得到觀測誤差動態；

S3、根據舵角飽和特性模型設計輔助系統，基于輸出信號與參考信號之間的誤差和輔助系統，設計智能船舶自動舵系統的有限時間虛擬控制函數；

S4、通過所述模糊狀態觀測器和考慮舵角受限的自動舵系統數學模型以及觀測誤差動態、輔助系統、有限時間虛擬控制函數、自適應模糊更新率，得到自動舵系統的實際控制舵角，此有界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有限時間控制。

2.根據權利要求1所述的智能船舶自動舵系統的模糊自適應輸出反饋有限時間控制方法，其特征在于，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u＝Kδ/T，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，滿足李普希茨條件，存在一個已知常數l，使得為x₂的估計值，p＝K/T為控制增益；

考慮輸入舵角有界的飽和特性，將式(2)變為

式(3)中，v為待設計的控制輸入，u(v)是帶有飽和特性的自動舵系統輸入，u(v)可以被描述為

式(4)中，u_M為舵角的界限值，自動舵系統的舵角飽和特性可以被光滑函數描述為

式(5)可以被改寫為

式(6)中帶有飽和特性的自動舵系統輸入u(v)與其描述函數h(v)的差為一個有界的函數ρ(v)，可被描述為

|ρ(v)|＝|sat(v)-h(v)|≤u_M(1-tanh(1))＝S₁ (7)

待設計控制輸入v的絕對值|v|在0到舵角界限值u_M之間變化時，有界函數ρ(v)的值由0增長到S₁，當|v|的值大于舵角界限值u_M時，ρ(v)的值由S₁減小到0。