一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，涉及船舶方位控制方法技术领域，设计具有预设性能的双齐次快速终端滑模面，在保证滑模面上变量在有限时间收敛的情况下，通过预设性能函数约束滑模面上的状态变量轨迹，以改进系统在滑模面上的精度

【技术实现步骤摘要】
一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶方位控制方法
，具体涉及一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法
。

技术介绍

[0002]由于政策限制和能源短缺所带来的巨大压力，航运业正面临着发展新能源技术的挑战
。
在这样的背景下，多种可持续能源与传统能源相结合的可持续技术得以充分发展
。
考虑海上风能具有分布广泛
、
平稳性高且应用成本低的特点，船舶风力推进技术被视为具有突破传统节能技术并实现节能效果提升的潜力
。
[0003]风力推进船舶通过助航风帆为船舶提供沿目标航向的推力，从而降低发动机的能量需求并实现船舶节能
。
在不同的风速风向情况下，风帆沿航向的推力可以通过调整风帆的方位来控制
。
为保证风帆对最优方位的跟踪，需通过风帆的方位伺服系统对目标方位进行实时跟踪，从而获取沿航向的最大推力
。
[0004]然而，风帆方位伺服系统的设计与应用中面临着严峻考验
。
一方面，时变的外部环境导致了系统的跟踪快速性需求
。
另一方面，风帆在为船舶航行提供巨大推力的同时，也受到强不确定的风阻力矩的影响
。
系统的控制性能将不可避免受到影响
。
因此，系统在鲁棒性和快速性方面面临严峻挑战
。
[0005]基于上述需求，对风帆方位伺服系统进行控制策略设计以提高方位跟踪的快速性和稳定性，从而提升系统节能效果
。
考虑到跟踪过程中的强风扰动，终端滑模控制
(TSMC)
是一种鲁棒控制方法，可用于隔离参数不确定性和有界干扰
。
此外，与传统的滑模面相比，终端滑模面可以确保固定的时间收敛，以满足精确跟踪的工程可靠性
。
通过双极限齐次引理，也可以在原点附近避免末端滑动面的奇异性
。
应用固定时间理论
、
滑模逼近律和滑模面设计，可以实现方位跟踪误差的全局固定时间收敛
。
以终端滑模控制为基础，研究具有更高精度和更快速度的控制策略仍然是一项重要而富有挑战性的任务
。
同时，系统的控制性能仍然受到复杂环境的限制
。
通过需要在控制律种引入鲁棒项来抑制外部干扰
。
然而，由于用于抑制扰动的鲁棒项会在靠近原点附近发生切换，而过大的振幅会增加系统的抖振
。
如何减少系统保守性和抖振特性，保证系统的预设控制性能和节能效果，也成为了风帆方位伺服系统亟待解决的重要问题
。
综上所述，风帆方位伺服系统面临复杂环境下控制性能和节能效果的严峻需求
。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本专利技术提供了一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法能够解决上述问题
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术手段：
[0008]一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，具体方法包括以下步骤：
[0009]步骤
1、
根据船舶助航风帆方位的目标跟踪需求以及船舶助航风帆方位伺服系统
结构，建立船舶助航风帆方位伺服系统动力学模型，以用于控制策略设计；
[0010]所述方位伺服系统动力学模型可表示为：
[0011][0012]式中，
M
为伺服电机转子质量，
B
为伺服电机粘性摩擦系数，
θ
e
为伺服电机和船舶助航风帆的方位角，
K
f
定义为电磁转矩系数，
i
q
为伺服电机
q
轴上的定子电流分量，
T
w
为船舶助航风帆转动过程中的风阻力矩，
T
d
为风帆方位伺服系统的未建模动态；
[0013]步骤
2、
考虑风帆转动过程中的风阻力矩，建立风帆转动过程中受到的与风帆伺服系统实时方位角和表观风向相关的风阻力矩模型，通过建立的风阻力矩进行控制律设计，以用于降低控制策略的保守性；
[0014]所述风阻力矩模型可以表示为：
[0015][0016]式中，
L
是从风帆重心到桅杆的水平距离；
[0017]步骤
3、
设计了一种具有预设性能的双齐次快速终端滑动面，采用指定时间预设性能函数来约束误差变量在滑动表面上的轨迹，通过无约束映射，将约束误差变量转化为滑动曲面变量，滑动面上的误差具有更快的固定时间收敛和更高的跟踪精度，以优化系统的动态特性和稳态性能；同时，进行系统等效控制律的设计；
[0018]对于滑动阶段，通过设计系统的等效控制律
u
e
，使系统在滑模面上的状态符合预设性能，通过与系统动力学模型相结合，可以获得系统的等效控制律：
[0019][0020]步骤
4、
基于在步骤2中的具有预设性能的双齐次快速终端滑模面，通过有限时间引理设计滑模趋近律设计，以实现系统在有限时间到达滑模面，保证系统在滑动阶段以及滑模到达阶段的时间都是有限的，并保证系统的全局收敛；
[0021]通过与动力学模型相结合，可以获得以滑动面
s
为变量的滑动模态趋近律：
[0022][0023]式中，定义
γ1＝
m1/n1和
γ2＝
m2/n2以避免奇异性，正数
n
i
,m
i
(i
＝
1,2)
满足
n1＜
m1，
n2＜
2m2＜
2n2；
[0024]步骤
5、
考虑到风阻力矩模型因雷诺数波动引起的参数不确定性和系统未建模动态，采用三个自适应极限学习机来逼近上述模型中的升力系数和阻力系数波动和系统未建模动态，通过补偿控制律的设计，实现系统对扰动的鲁棒性和对抖振的抑制；同时，进行集总控制律的设计；
[0025]考虑到扰动的时变特性，设计了一种自适应律来在线调整自适应极限学习机，以提高对风阻力矩模型参数失配和未建模动态的抑制效果，补偿控制律设计可以表示为：
[0026][0027]通过补偿控制实现鲁棒性的情况下，系统在到达和滑动阶段的预设特性可以通过
到达控制和等效控制来保证，所述控制律的设计可以表示为：
[0028]u
＝
u
e
+u
r
+u
c
[0029]式中，
u
e
,u
r
和
u
c
分别定义为构成总控制律的等价控制律
、
到达控制律和补偿控制律
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，其特征在于，具体方法包括以下步骤：步骤
1、
根据船舶助航风帆方位的目标跟踪需求以及船舶助航风帆方位伺服系统结构，建立船舶助航风帆方位伺服系统动力学模型，以用于控制策略设计；所述方位伺服系统动力学模型可表示为：式中，
M
为伺服电机转子质量，
B
为伺服电机粘性摩擦系数，
θ
e
为伺服电机和船舶助航风帆的方位角，
K
f
定义为电磁转矩系数，
i
q
为伺服电机
q
轴上的定子电流分量，
T
w
为船舶助航风帆转动过程中的风阻力矩，
T
d
为风帆方位伺服系统的未建模动态；步骤
2、
考虑风帆转动过程中的风阻力矩，建立风帆转动过程中受到的与风帆伺服系统实时方位角和表观风向相关的风阻力矩模型，通过建立的风阻力矩进行控制律设计，以用于降低控制策略的保守性；所述风阻力矩模型可以表示为：式中，
L
是从风帆重心到桅杆的水平距离；步骤
3、
设计了一种具有预设性能的双齐次快速终端滑动面，采用指定时间预设性能函数来约束误差变量在滑动表面上的轨迹，通过无约束映射，将约束误差变量转化为滑动曲面变量，滑动面上的误差具有更快的固定时间收敛和更高的跟踪精度，以优化系统的动态特性和稳态性能；同时，进行系统等效控制律的设计；对于滑动阶段，通过设计系统的等效控制律
u
e
，使系统在滑模面上的状态符合预设性能，通过与系统动力学模型相结合，可以获得系统的等效控制律：步骤
4、
基于在步骤2中的具有预设性能的双齐次快速终端滑模面，通过有限时间引理设计滑模趋近律设计，以实现系统在有限时间到达滑模面，保证系统在滑动阶段以及滑模到达阶段的时间都是有限的，并保证系统的全局收敛；通过与动力学模型相结合，可以获得以滑动面
s
为变量的滑动模态趋近律：式中，定义
γ1＝
m1/n1和
γ2＝
m2/n2以避免奇异性，正数
n
i
,m
i
(i
＝
1,2)
满足
n1＜
m1，
n2＜
2m2＜
2n2；步骤
5、
考虑到风阻力矩模型因雷诺数波动引起的参数不确定性和系统未建模动态，采用三个自适应极限学习机来逼近上述模型中的升力系数和阻力系数波动和系统未建模动态，通过补偿控制律的设计，实现系统对扰动的鲁棒性和对抖振的抑制；同时，进行集总控制律的设计；考虑到扰动的时变特性，设计了一种自适应律来在线调整自适应极限学习机，以提高对风阻力矩模型参数失配和未建模动态的抑制效果，补偿控制律设计可以表示为：
通过补偿控制实现鲁棒性的情况下，系统在到达和滑动阶段的预设特性可以通过到达控制和等效控制来保证，所述控制律的设计可以表示为：
u
＝
u
e
+u
r
+u
c
式中，
u
e
,u
r
和
u
c
分别定义为构成总控制律的等价控制律
、
到达控制律和补偿控制律
。2.
根据权利要求1所述的一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，其特征在于，步骤1中，所述风帆方位伺服通过风帆桅杆与三相永磁同步电机同轴连接，驱动风帆方位...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜，宋健，张兰勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：