一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统，属于船舶自动控制技术领域，该方法针对智能船舶自动舵系统，运用模糊状态观测器和辅助设计系统，解决输入舵角受限的智能船舶自动舵系统的输出反馈有限时间控制问题，有效减少控制器对自动舵系统航向角变化率状态信息已知的需求，提高航向跟踪速度和精度。

A fuzzy adaptive output feedback finite time control method and system for intelligent ship autopilot system

【技术实现步骤摘要】
一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统
本专利技术涉及船舶自动控制
，尤其涉及一种考虑舵角受限的面向智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统。
技术介绍
船舶运动具有大时滞、大惯性、非线性等特点，航速及装载的变化导致了控制模型的参数摄动问题，航行条件的变化、环境参数的干扰及测量的不精确，都使船舶航向控制系统产生了不确定性。面对这些非线性不确定带来的问题，智能算法应运而生，被不断应用于船舶航向控制领域，如自适应控制，鲁棒控制，模糊自适应控制、迭代滑模控制、最少参数学习方法等。当前多数船舶航向轨迹追踪设计均采用状态反馈控制方法，该方法假设船舶航向系统全部状态信息已知。然而在实际工程应用中，船舶航向系统舵角变化信息多为未知，而且舵角的输入为有界的，现有技术考虑船舶航向控制实际性能要求较少，使用成本较高不易于工程实现。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种考虑舵角受限的面向智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统。本专利技术主要面向考虑舵角受限的智能船舶自动舵系统，通过模糊自适应输出反馈有限时间控制，可有效降低控制器能量消耗、减少舵机磨损，提高航向跟踪速度和精度。本专利技术采用的技术手段如下：一种考虑舵角受限的面向智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法，包括如下步骤：S1、将采集到的航向信息传送给船载计算机，船载计算机考虑船舶稳态回转非线性特性和自动舵系统中舵角输入有界特性，建立有关航向角和受限舵角的智能船舶自动舵系统数学模型，所述航向信息包括根据船舶舵机测量的舵角数据和罗经测量的当前航向角数据，其中航向角的变化率信息为不可测得；S2、利用模糊逻辑系统的通用逼近原理，对自动舵系统中的未知非线性函数进行逼近，并设计用于估计自动舵系统不可测状态的模糊状态观测器；通过模糊状态观测器与自动舵系统之间的关系得到观测误差动态；S3、根据舵角饱和特性模型设计辅助内补偿系统，基于输出信号与参考信号之间的误差和辅助设计系统，设计智能船舶自动舵系统的虚拟控制函数；S4、通过所述模糊状态观测器和考虑舵角受限的自动舵系统数学模型以及观测误差动态、辅助系统、有限时间虚拟控制函数、自适应模糊更新率，得到自动舵系统的实际控制舵角，此有界舵角指令传递给船舶舵机输出船舶航向角，实现船舶航向的自动舵系统航向轨迹跟踪有限时间控制。进一步地，所述步骤S1中，建立智能船舶自动舵系统数学具体模型为：式(1)中，为航向角，δ为舵角；K是船舶回转性指数，T为船舶跟从性指数，为未知的非线性函数，定义状态变量u＝Kδ/T，将式(1)变化，得到船舶航向非线性系统数学模型：式(2)中，xi,i＝1,2为系统的状态，u为系统的输入，y为系统的输出，f(x2)为未知的不确定函数，满足李普希茨条件，存在一个已知常数l，使得为x2的估计值，p＝K/T为控制增益。考虑输入舵角有界的饱和特性，将式(2)变为式(3)中，v为待设计的控制输入，u(v)是带有饱和特性的自动舵系统输入，u(v)可以被描述为式(4)中，uM为舵角的界限值，自动舵系统的舵角饱和特性可以被光滑函数描述为式(5)可以被改写为式(6)中带有饱和特性的自动舵系统输入u(v)与其描述函数h(v)的差为一个有界的函数ρ(v)，可被描述为|ρ(v)|＝|sat(v)-h(v)|≤uM(1-tanh(1))＝S1(7)待设计控制输入v的绝对值|v|在0到舵角界限值uM之间变化时，有界函数ρ(v)的值由0增长到S1，当|v|的值大于舵角界限值uM时，ρ(v)的值由S1减小到0。所述步骤S2具体包括：利用模糊逻辑系统通用逼近原理得到自动舵系统中的未知非线性函数f(x2)的逼近值为所述的未知非线性函数可被描述为式中，θ*为根据预设的船舶航向理想的参数向量，为理想参数向量θ*的估计值，ε为根据预设的船舶航向理想的自动舵系统特性与自动舵系统中未知非线性函数之间的关系得到的模糊任意小逼近误差，ε满足|ε|≤ε*，ε*是一个正的常数。结合式(8)，系统(3)可改写为式中，Δf为自动舵系统中的未知非线性函数f(x2)与利用模糊逻辑系统对其进行逼近后得到的逼近值之间做差得到的差值。为了估计系统(3)的不可测状态，设计模糊状态观测器为式中，m1＞0,m2＞0为待设计的观测器参数。将式(4)改写为式中，M＝[m1,m2]T，C＝[1,0]T，B＝[0,1]T；定义观测误差e为：由式(9)和(11)可得观测误差动态为：式中，ε＝[0,ε]T，ΔF＝[0,Δf]T，所述步骤S3具体包括：建立智能船舶自动舵系统的辅助系统和虚拟控制函数α具体为：定义船舶航向控制系统误差坐标变化方程式中，yr为自动舵系统期望的跟踪参考信号，为系统辅助系统，α为虚拟控制函数，根据自动舵系统舵角饱和特性描述函数h(v)得到辅助系统动态为根据辅助系统和自动舵系统误差方程定义虚拟控制函数α为式中c1＞0，0＜β＜1是待设计参数。所述步骤S4具体包括：建立智能船舶自动舵系统的自适应模糊更新率为：式中，γ＞0，σ＞0为设计参数；得到系统的实际有限时间控制器：式中，c2＞0，激活函数是有界的，即本专利技术还提供了一种考虑舵角受限的面向智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制系统，包括：数据采集单元，用于采集船舶航行过程中的航向信息，所述航向信息包括舵角数据和当前航向角数据；数据传输单元，用于将采集到的船舶航行过程中的航向信息传输至船载计算机；船载计算机，用于处理采集到的船舶航行过程中的航向信息，完成船舶航向的模糊自适应输出反馈有限时间控制，其具体包括：船舶航向自动舵系统数学模型构筑模块，用于基于所述航向信息构筑系统输入与输出之间的智能船舶自动舵系统数学模型；船舶航向自动舵系统舵角输入受限数学模块，用于基于所述带有饱和特性的自动舵系统输入与其光滑描述函数构筑智能船舶自动舵系统饱和特性模型；模糊状态观测器构筑模块，用于利用模糊逻辑系统的万能逼近原理对系统非线性函数逼近，设计用于估计智能船舶自动舵系统的不可测状态的模糊状态观测器；辅助系统内补偿模块，用于利用自动舵系统舵角饱和特性描述函数设计智能船舶自动舵系统的辅助补偿函数，并以此设计辅助内补偿系统；虚拟有限时间控制器构筑模块，用于利用输出信号与参考信号之间的误差设计智能船舶自动舵系统的虚拟控制函数，并以此设计有限时间虚拟控制器；实际有限时间控制器构筑模块，用于通过万能逼近原理求解所述模糊状态观测器和考虑舵角受限的自动舵系统数学模型以及观测误差动态、辅助设计函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、将采集到的航向信息传送给船载计算机，船载计算机考虑船舶稳态回转非线性特性和自动舵系统中舵角输入有界特性，建立有关航向角和受限舵角的智能船舶自动舵系统数学模型，所述航向信息包括根据船舶舵机测量的舵角数据和罗经测量的当前航向角数据，其中航向角的变化率信息为不可测得；/nS2、利用模糊逻辑系统的通用逼近原理，对自动舵系统中的未知非线性函数进行逼近，并设计用于估计自动舵系统不可测状态的模糊状态观测器；通过模糊状态观测器与自动舵系统之间的关系得到观测误差动态；/nS3、根据舵角饱和特性模型设计辅助系统，基于输出信号与参考信号之间的误差和辅助系统，设计智能船舶自动舵系统的有限时间虚拟控制函数；/nS4、通过所述模糊状态观测器和考虑舵角受限的自动舵系统数学模型以及观测误差动态、辅助系统、有限时间虚拟控制函数、自适应模糊更新率，得到自动舵系统的实际控制舵角，此有界舵角指令传递给船舶舵机输出船舶航向角，实现船舶航向的自动舵系统航向轨迹跟踪有限时间控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将采集到的航向信息传送给船载计算机，船载计算机考虑船舶稳态回转非线性特性和自动舵系统中舵角输入有界特性，建立有关航向角和受限舵角的智能船舶自动舵系统数学模型，所述航向信息包括根据船舶舵机测量的舵角数据和罗经测量的当前航向角数据，其中航向角的变化率信息为不可测得；
S2、利用模糊逻辑系统的通用逼近原理，对自动舵系统中的未知非线性函数进行逼近，并设计用于估计自动舵系统不可测状态的模糊状态观测器；通过模糊状态观测器与自动舵系统之间的关系得到观测误差动态；
S3、根据舵角饱和特性模型设计辅助系统，基于输出信号与参考信号之间的误差和辅助系统，设计智能船舶自动舵系统的有限时间虚拟控制函数；
S4、通过所述模糊状态观测器和考虑舵角受限的自动舵系统数学模型以及观测误差动态、辅助系统、有限时间虚拟控制函数、自适应模糊更新率，得到自动舵系统的实际控制舵角，此有界舵角指令传递给船舶舵机输出船舶航向角，实现船舶航向的自动舵系统航向轨迹跟踪有限时间控制。


2.根据权利要求1所述的智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立智能船舶自动舵系统数学具体模型为：



式(1)中，为航向角，δ为舵角；K是船舶回转性指数，T为船舶跟从性指数，为未知的非线性函数，定义状态变量u＝Kδ/T，将式(1)变化，得到船舶航向非线性系统数学模型：



式(2)中，xi,i＝1,2为系统的状态，u为系统的输入，y为系统的输出，f(x2)为未知的不确定函数，满足李普希茨条件，存在一个已知常数l，使得为x2的估计值，p＝K/T为控制增益；
考虑输入舵角有界的饱和特性，将式(2)变为



式(3)中，v为待设计的控制输入，u(v)是带有饱和特性的自动舵系统输入，u(v)可以被描述为



式(4)中，uM为舵角的界限值，自动舵系统的舵角饱和特性可以被光滑函数描述为



式(5)可以被改写为



式(6)中带有饱和特性的自动舵系统输入u(v)与其描述函数h(v)的差为一个有界的函数ρ(v)，可被描述为
|ρ(v)|＝|sat(v)-h(v)|≤uM(1-tanh(1))＝S1(7)
待设计控制输入v的绝对值|v|在0到舵角界限值uM之间变化时，有界函数ρ(v)的值由0增长到S1，当|v|的值大于舵角界限值uM时，ρ(v)的值由S1减小到0。


3.根据权利要求2所述的智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
利用模糊逻辑系统通用逼近原理得到自动舵系统中的未知非线性函数f(x2)的逼近值为所述的未知非线性函数可被描述为



式中，θ*为根据预设的船舶航向理想的参数向量，为理想参数向量θ*的估计值，ε为根据预设的船舶航向理想的自动舵系统特性与自动舵系统中未知非线性函数之间的关系得到的模糊任意小逼近误差，ε满足|ε|≤ε*，ε*是一个正的常数；
结合式(8)，系统(3)可改写为

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁山，朱丽燕，单麒赫，陈俊龙，肖杨，左毅，武越，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21