[發明專利]船舶航向系統的全狀態約束有限時間控制方法

在審

• 申請號: 202110670455.4
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113341988A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 李澤;許王瑤;崔國增
• 申請（專利權）人: 蘇州科技大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 王玉國

本發明涉及船舶航向系統的全狀態約束有限時間控制方法，利用約束李雅普諾夫函數對船舶航向系統的狀態進行約束，結合Nussbaum函數提出基于命令濾波反推技術的有限時間自適應模糊控制方案；設計控制器保證航向控制系統在全狀態不違反約束條件和控制方向未知的前提下，期望航向角和實際航向角之間誤差在有限時間內收斂到原點附近一足夠小的區域內，且閉環系統內所有的控制信號在有限時間內有界；設計基于約束李雅普諾夫函數和分數冪的虛擬控制信號和誤差補償信號，保證實際輸出與期望值之間誤差在有限時間內收斂且不違反狀態約束條件；基于濾波反步法的有限時間自適應模糊控制，保證船舶航向控制系統具有更快的收斂速度和更高的跟蹤精度。

技術領域

本發明涉及一種船舶航向系統的全狀態約束有限時間控制方法。

背景技術

21世紀是海洋的世紀，合理開發、利用、發展海洋經濟對于我國經濟的發展至關重要。船舶是海上運輸的主要交通工具，海洋開發的一項重要工作就是加強對海上交通工具的研究。在遠距離航行過程中，為減輕操舵手的動作頻率及強度，使得船舶能夠安全快速到達目的地，對船舶進行有效控制十分重要。因此，研發高效、可靠、魯棒性強的船舶運動控制方法成為當今的科研熱點。

船舶在海上航行的重要工作之一是對航向進行控制，船舶航向控制器的設計問題是非線性控制問題。傳統的控制方法通過先將具有非線性特性的航向系統轉化為線性系統，然后運用線性控制理論進行控制器設計。這一類方法能夠解決一些問題，但也存在明顯的缺陷。在對系統進行線性化轉化的過程中，將導致非線性特性的丟失，實際設計過程中無法獲得預期的控制效果。反推法是一種應用比較廣泛的非線性控制方法，這種方法能夠保留船舶航向系統的非線性特性，并且設計過程簡潔清晰。在控制器設計過程中可以與自適應控制、模糊控制、滑模控制等多種控制方法相結合來提高控制效率。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種船舶航向系統的全狀態約束有限時間控制方法。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

船舶航向系統的全狀態約束有限時間控制方法，特點是：包含以下步驟：

(1)給出非線性船舶航向模型：

式(1)中，ψ為航向角，δ為實際控制舵角，δ_w為由環境擾動引起的等效舵角，T為時間常數，K為系統增益，a0為Norrbin系數；

(2)定義狀態變量x₁＝ψ，和u^f＝δ，船舶航向控制系統狀態方程描述為：

進一步考慮執行器故障，式(2)表示為：

式(3)中，b為未知的失去控制律，w為一有界信號且

(3)設計控制器和自適應律

控制器設計如下：

定義誤差變量

其中，z_i(i＝1,2)為跟蹤誤差，x_d＝ψ_d為期望的航向輸出信號，π₂為命令濾波器的輸出值；

考慮到命令濾波器帶來的誤差π₂-α₁，引入誤差補償變量ξ_i，(i＝1,2)；

進一步得到補償后的跟蹤誤差如下：

本發明設計的虛擬控制信號α₁和控制輸入u＝α₂如下：