[發(fā)明專利]船舶航向系統(tǒng)的全狀態(tài)約束有限時(shí)間控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110670455.4
• 申請(qǐng)日: 2021-06-17
• 公開（公告）號(hào): CN113341988A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李澤;許王瑤;崔國(guó)增
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 王玉國(guó)

本發(fā)明涉及船舶航向系統(tǒng)的全狀態(tài)約束有限時(shí)間控制方法，利用約束李雅普諾夫函數(shù)對(duì)船舶航向系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行約束，結(jié)合Nussbaum函數(shù)提出基于命令濾波反推技術(shù)的有限時(shí)間自適應(yīng)模糊控制方案；設(shè)計(jì)控制器保證航向控制系統(tǒng)在全狀態(tài)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(shí)際航向角之間誤差在有限時(shí)間內(nèi)收斂到原點(diǎn)附近一足夠小的區(qū)域內(nèi)，且閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)所有的控制信號(hào)在有限時(shí)間內(nèi)有界；設(shè)計(jì)基于約束李雅普諾夫函數(shù)和分?jǐn)?shù)冪的虛擬控制信號(hào)和誤差補(bǔ)償信號(hào)，保證實(shí)際輸出與期望值之間誤差在有限時(shí)間內(nèi)收斂且不違反狀態(tài)約束條件；基于濾波反步法的有限時(shí)間自適應(yīng)模糊控制，保證船舶航向控制系統(tǒng)具有更快的收斂速度和更高的跟蹤精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種船舶航向系統(tǒng)的全狀態(tài)約束有限時(shí)間控制方法。

背景技術(shù)

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，合理開發(fā)、利用、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。船舶是海上運(yùn)輸?shù)闹饕煌üぞ撸Ｑ箝_發(fā)的一項(xiàng)重要工作就是加強(qiáng)對(duì)海上交通工具的研究。在遠(yuǎn)距離航行過程中，為減輕操舵手的動(dòng)作頻率及強(qiáng)度，使得船舶能夠安全快速到達(dá)目的地，對(duì)船舶進(jìn)行有效控制十分重要。因此，研發(fā)高效、可靠、魯棒性強(qiáng)的船舶運(yùn)動(dòng)控制方法成為當(dāng)今的科研熱點(diǎn)。

船舶在海上航行的重要工作之一是對(duì)航向進(jìn)行控制，船舶航向控制器的設(shè)計(jì)問題是非線性控制問題。傳統(tǒng)的控制方法通過先將具有非線性特性的航向系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)，然后運(yùn)用線性控制理論進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。這一類方法能夠解決一些問題，但也存在明顯的缺陷。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化轉(zhuǎn)化的過程中，將導(dǎo)致非線性特性的丟失，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中無法獲得預(yù)期的控制效果。反推法是一種應(yīng)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(tǒng)的非線性特性，并且設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)潔清晰。在控制器設(shè)計(jì)過程中可以與自適應(yīng)控制、模糊控制、滑模控制等多種控制方法相結(jié)合來提高控制效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種船舶航向系統(tǒng)的全狀態(tài)約束有限時(shí)間控制方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

船舶航向系統(tǒng)的全狀態(tài)約束有限時(shí)間控制方法，特點(diǎn)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(shí)際控制舵角，δ_w為由環(huán)境擾動(dòng)引起的等效舵角，T為時(shí)間常數(shù)，K為系統(tǒng)增益，a0為Norrbin系數(shù)；

(2)定義狀態(tài)變量x₁＝ψ，和u^f＝δ，船舶航向控制系統(tǒng)狀態(tài)方程描述為：

進(jìn)一步考慮執(zhí)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(hào)且

(3)設(shè)計(jì)控制器和自適應(yīng)律

控制器設(shè)計(jì)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(hào)，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(bǔ)償變量ξ_i，(i＝1,2)；

進(jìn)一步得到補(bǔ)償后的跟蹤誤差如下：

本發(fā)明設(shè)計(jì)的虛擬控制信號(hào)α₁和控制輸入u＝α₂如下：