[發(fā)明專利]一種智能船舶自動舵系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)輸出反饋容錯控制方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010109099.4
• 申請日: 2020-02-21
• 公開（公告）號: CN111273549B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 徐華燊;李洪福

本發(fā)明提供一種智能船舶自動舵系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)輸出反饋容錯控制方法及系統(tǒng)，屬于船舶自動控制技術(shù)領(lǐng)域，該方法針對智能船舶自動舵系統(tǒng)，運用模糊狀態(tài)觀測器系統(tǒng)，解決智能船舶自動舵系統(tǒng)出現(xiàn)執(zhí)行器故障時的控制問題，有效減少控制器對自動舵系統(tǒng)航向角變化率狀態(tài)信息已知的需求，提高航向跟蹤速度和精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶自動控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮舵角受限的面向智能船舶自動舵系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)輸出反饋容錯控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

船舶運動具有大時滯、大慣性、非線性等特點，航速及裝載的變化導(dǎo)致了控制模型的參數(shù)攝動問題，航行條件的變化、環(huán)境參數(shù)的干擾及測量的不精確，都使船舶航向控制系統(tǒng)產(chǎn)生了不確定性。面對這些非線性不確定帶來的問題，智能算法應(yīng)運而生，被不斷應(yīng)用于船舶航向控制領(lǐng)域，如自適應(yīng)控制，魯棒控制，模糊自適應(yīng)控制、迭代滑模控制、最少參數(shù)學(xué)習(xí)方法等。當(dāng)前多數(shù)船舶航向軌跡追蹤設(shè)計均采用狀態(tài)反饋控制方法，該方法假設(shè)船舶航向系統(tǒng)全部狀態(tài)信息已知。然而在實際工程應(yīng)用中，船舶航向系統(tǒng)舵角變化信息多為未知，而且舵角的輸入為有界的，現(xiàn)有技術(shù)考慮船舶航向控制實際性能要求較少，使用成本較高不易于工程實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種考慮舵角受限的面向智能船舶自動舵系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)輸出反饋容錯控制方法及系統(tǒng)。本發(fā)明主面向考慮舵角受限的智能船舶自動舵系統(tǒng)，通過模糊自適應(yīng)輸出反饋容錯控制，可有效降低控制器能量消耗、減少舵機(jī)磨損，提高航向跟蹤速度和精度。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種考慮舵角受限的面向智能船舶自動舵系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)輸出反饋容錯控制方法，包括如下步驟：

S1、將采集到的航向信息傳送給船載計算機(jī)，船載計算機(jī)考慮船舶穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)非線性特性和自動舵系統(tǒng)中舵角輸入有界特性，建立有關(guān)航向角和控制舵角的智能船舶自動舵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，所述航向信息包括根據(jù)船舶舵機(jī)測量的舵角數(shù)據(jù)和羅經(jīng)測量的當(dāng)前航向角數(shù)據(jù)，其中航向角的變化率信息為不可測得；

S2、根據(jù)自動舵特性模型設(shè)計舵機(jī)執(zhí)行器故障系統(tǒng)模型，基于執(zhí)行器卡死和失效故障，設(shè)計智能船舶自動舵系統(tǒng)的控制器故障模型，基于此將輸入向量改寫為考慮執(zhí)行器故障的輸入向量；

S3、利用模糊邏輯系統(tǒng)的通用逼近原理，對自動舵系統(tǒng)中的未知非線性函數(shù)進(jìn)行逼近，并設(shè)計用于估計自動舵系統(tǒng)不可測狀態(tài)的模糊狀態(tài)觀測器；通過模糊狀態(tài)觀測器與自動舵系統(tǒng)之間的關(guān)系得到觀測誤差動態(tài)；

S4、通過萬能逼近原理求解所述模糊狀態(tài)觀測器和考慮舵角受限的自動舵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以及觀測誤差動態(tài)、中間控制函數(shù)、自適應(yīng)模糊更新率，得到自動舵系統(tǒng)的有界實際控制舵角，此有界舵角指令傳遞給船舶舵機(jī)輸出船舶航向角，實現(xiàn)船舶航向的自動舵系統(tǒng)航向軌跡跟蹤容錯控制。

進(jìn)一步地，所述步驟S1中，建立智能船舶自動舵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：

式(1)中，為航向角，δ為舵角；K是船舶回轉(zhuǎn)性指數(shù)，T為船舶跟從性指數(shù)，為未知的非線性函數(shù)，定義狀態(tài)變量u＝Kδ/T，將式(1)變化，得到船舶航向非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：

式(2)中，x_i,i＝1,2為系統(tǒng)的狀態(tài)，u為系統(tǒng)的輸入，y為系統(tǒng)的輸出，f(x₂)為未知的不確定函數(shù)，滿足李普希茨條件，存在一個已知常數(shù)l，使得為x₂的估計值，p＝K/T為控制增益。

步驟S2中，考慮執(zhí)行器故障分別為執(zhí)行器卡死和執(zhí)行器失效故障設(shè)計的控制器故障模型包括：

卡死模型：

失效模型：