[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于廣義模糊雙曲模型的智能船舶航向控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110546654.4
• 申請(qǐng)日: 2021-05-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113110511A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 單麒赫;陳佳澤;滕菲;李鐵山;孟一平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于廣義模糊雙曲模型的智能船舶航向控制方法，包括：建立以船舶舵角為輸入，船舶航向角及航向角速度為輸出的非線性船舶航向控制模型；將船舶實(shí)際艏向角度與期望艏向角差值作為非線性船舶航向控制模型的輸入信息，對(duì)該模型中的非線性函數(shù)進(jìn)行逼近、獲得智能模糊船舶航向控制模型,設(shè)計(jì)智能船舶航向控制的模糊虛擬控制函數(shù)；將存在飽和限制的輸入信號(hào)u與控制信號(hào)v進(jìn)行比較獲得誤差信號(hào)、將該誤差信號(hào)進(jìn)行反饋和輔助補(bǔ)償處理獲得輔助補(bǔ)償信號(hào)、從而循環(huán)地對(duì)船舶舵角輸入限制進(jìn)行補(bǔ)償；通過(guò)廣義模糊雙曲正切逼近方法建立模糊航向控制模型，采用飽和補(bǔ)償方法分析輔助補(bǔ)償信號(hào)，設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)更新率，從而實(shí)現(xiàn)船舶航向控制過(guò)程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能船舶控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于廣義模糊雙曲模型的智能船舶航向控制方法。

背景技術(shù)

自動(dòng)舵是智能船舶最重要的操控系統(tǒng)之一，智能船舶運(yùn)動(dòng)具有大時(shí)滯、大慣性、強(qiáng)非線性等特點(diǎn)，在實(shí)際的船舶控制中包括建模誤差、船舶載況變化引起的參數(shù)攝動(dòng)和不確定的外部干擾如風(fēng)、流等環(huán)境力作用均會(huì)對(duì)控制的精度造成影響甚至造成嚴(yán)重事故，但目前大多數(shù)基于狀態(tài)反饋進(jìn)行的船舶航向控制設(shè)計(jì)并不能妥善解決數(shù)學(xué)模型不確定性問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題模型中的不確定項(xiàng)來(lái)描述，目前主要結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者模糊邏輯系統(tǒng)進(jìn)行逼近處理。

然而在實(shí)際工程應(yīng)用中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯系統(tǒng)需要獲取較多設(shè)計(jì)參數(shù)，模型復(fù)雜程度較高，且航向角追蹤誤差存在受限和執(zhí)行航向追蹤任務(wù)精度有限的情況。因此，現(xiàn)有智能船舶航向控制成果中，考慮控制性能與控制成本的折中，使用成本較高不利于工程實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于廣義模糊雙曲模型的智能船舶航向控制方法，具體采用如下步驟：

考慮船舶航向控制的回轉(zhuǎn)非線性和外界干擾，建立以船舶舵角為輸入，船舶航向角及航向角速度為輸出的非線性船舶航向控制模型；

將船舶實(shí)際艏向角度與期望艏向角差值作為非線性船舶航向控制模型的輸入信息，對(duì)該模型中的非線性函數(shù)進(jìn)行逼近、獲得智能模糊船舶航向控制模型,設(shè)計(jì)智能船舶航向控制的模糊虛擬控制函數(shù)；

將存在飽和限制的輸入信號(hào)u與控制信號(hào)v進(jìn)行比較獲得誤差信號(hào)、將該誤差信號(hào)進(jìn)行反饋和輔助補(bǔ)償處理獲得輔助補(bǔ)償信號(hào)、從而循環(huán)地對(duì)船舶舵角輸入限制進(jìn)行補(bǔ)償；

通過(guò)廣義模糊雙曲正切逼近方法建立模糊航向控制模型，采用飽和補(bǔ)償方法分析輔助補(bǔ)償信號(hào)，設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)更新率，從而基于模糊雙曲正切的飽和船舶航向控制。

進(jìn)一步的，所述非線性船舶航向控制模型為：

δ為船舶舵角，φ為船舶航向，其導(dǎo)數(shù)為船舶航向角變化速度，K為船舶的回轉(zhuǎn)性指數(shù)，T為船舶的跟從性指數(shù)，由于船舶的回轉(zhuǎn)性和直線穩(wěn)定性之間是相互矛盾的，是的非線性函數(shù)，近似表示為：為船舶非線性系數(shù)，是實(shí)值常數(shù)；定義x₁＝φ,u＝δ，將公式(1)轉(zhuǎn)化得到船舶航向角及航向角速度為輸出的非線性船舶航向控制模型：

其中x＝[x₁ x₂]^T,f₁(x₁)＝0,u是系統(tǒng)飽和極限的控制輸入，y是系統(tǒng)的輸出，d₁＝0,d₂是未知有界的干擾滿足|d₂|≤d^*，f₂(x)是滿足利普希茲條件的未知非線性項(xiàng)。

進(jìn)一步的，所述獲得智能模糊船舶航向控制模型時(shí)：

首先對(duì)輸入變量進(jìn)行線性變換，從而得到廣義輸入變量