[發明專利]一種基于預設性能的多水面船分布式編隊的魯棒控制方法

在審

• 申請號: 202210060294.1
• 申請日: 2022-01-19
• 公開（公告）號: CN114397821A
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 王莎莎;戴東辰;庹玉龍;康彩霞;周旭光;馬立
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 楊威;涂文詩

本發明公開了一種基于預設性能的多水面船分布式編隊的魯棒控制方法，包括：S1：建立船舶編隊系統中船舶的運動學模型和船舶的動力學模型；S2：建立三階非線性狀態擴張狀態觀測器；S3：建立基于有限時間控制方法的預設性能函數；S4：設計船舶編隊系統的魯棒控制律。本發明能夠使系統能夠在復雜海況的環境下保持良好的性能，擺脫了傳統控制方法依賴于精確數學模型的局限性。同時本發明結合有限時間控制方法的特性設計一種新型的預設性能函數以約束系統誤差，通過改變收斂時間的值可以減少船舶隊形形成的時間，在一定程度上提高了系統的工作效率和動態性能。

技術領域

本發明涉及多水面船編隊協同控制領域，尤其涉及一種基于預設性能的多水面船分布式編隊的魯棒控制方法。

背景技術

隨著現代社會的高速發展，多水面船系統編隊控制在軍事、商業等多個領域展現了廣闊的應用前景，逐漸成為了自動控制領域的研究熱點。多船的編隊控制系統主要有三種：分散式、集中式和分布式。分散式控制系統指每艘船體都能獨立運算和做出控制。而集中式控制有著較成熟的理論，但是該控制系統靈活性差，尤其是當存在大量船舶時，總控制器運算負荷重，所以難以實現精確控制。分布式控制系統指系統中各艘船都能獨立的根據系統的目標、狀態以及自身的狀態、能力、資源規劃出各自的控制協議，并且通過通信手段實現各船之間的聯系和協作，讓整個多船系統能夠完成預期的任務。

通過觀察，發現多船編隊控制方法存在以下幾個方面的不足：國內外大多數學者主要把精力放在研究非線性控制的穩態性能上，希望在系統穩態時盡可能的減小系統的穩態誤差，而對系統的瞬態性能卻不怎么關注。系統的動態性能不理想，控制精度不高；并且現有的控制方法大多基于精確的數學模型來進行設計，而在復雜海域環境下的實際水面船系統必然存在模型不確定性和時變的海況干擾，因此設計系統時若不考慮這些不確定性，將會降低系統性能。

發明內容

本發明提供一種基于預設性能的多水面船分布式編隊的魯棒控制方法，以克服上述技術問題。

本發明的技術方案如下：一種基于預設性能的多水面船分布式編隊的魯棒控制方法，包括：

S1：建立船舶編隊系統中船舶的運動學模型和船舶的動力學模型，以獲取船舶編隊系統的總擾動和船舶速度值；

S2：建立三階非線性狀態擴張狀態觀測器，以對所述船舶編隊系統中船舶的運動學模型和船舶的動力學模型中的船舶編隊系統的總擾動和速度值擾動項進行觀測和補償；

S3：建立基于有限時間控制方法的預設性能函數，以對船舶編隊系統的編隊誤差進行約束；

S4：基于所述三階非線性狀態擴張狀態觀測器和預設性能函數，設計船舶編隊系統的魯棒控制律，以對所述船舶編隊系統進行控制。

進一步的，所述S1中，

所述船舶的運動學模型為：

式中，η_i＝[x_i,y_i,ψ_i]^T是第i艘船舶的位置矢量，表示第i艘船舶的位置矢量η_i的導數，(x_i,y_i)是第i艘船舶的位置，ψ_i是第i艘船舶的航向角，μ_i＝[u_i,v_i,r_i]^T是第i艘船舶的速度矢量，(u_i,v_i)是第i艘船舶的線速度，r_i是第i艘船舶的角速度；

所述船舶的動力學模型為