一种抗舵机饱和的船舶航向自适应控制方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种抗舵机饱和的船舶航向自适应控制方法，包括以下步骤：对船舶航向运动进行数学描述，构造动态抗饱和补偿器，构造自适应backstepping控制器的第一状态向量z1，并构造z1的Lyapunov函数，进而取得虚拟控制；结合船舶航向角信息、航向角速度及动态抗饱和补偿器模块输出的补偿状态，求差计算出自适应backstepping控制器的第二状态向量z2，构造控制方法中总的Lyapunov函数，结合船舶航向稳定条件，获得带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制器，完成带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制方法。本发明专利技术思路明确、结构清晰合理、易于工程实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种船舶航向控制方法。
技术介绍
船舶航行时经常需要进行转向控制，且要求转向时施舵合理，快速稳定，调节时间短且超调小。当船舶转向尤其大角度转向时，运动幅度大，舵机经常处于幅值和速率饱和状态。饱和因素的存在，会使控制器输出舵角和实际舵角不一致，从而造成闭环控制性能的不一致，甚至不稳定。舵机饱和因素是船舶航向控制器设计时需要考虑的一个重要方面。目前针对系统中存在执行器饱和环节的控制器设计通常有两种方法:直接设计方法和抗饱和补偿法。直接设计方法是在控制器设计时直接将执行器饱和考虑进去，使得闭环系统稳定；抗饱和补偿法先忽略饱和非线性，设计满足给定性能指标的控制器，然后以执行机构的输入输出之差作为输入，设计补偿器弱化饱和的影响。相比于直接设计方法，抗饱和补偿法具有设计简单、易于工程实现等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于backstepping控制器的补偿器设计方法的。本专利技术的目的是这样实现的:本专利技术，其特征是:( I)对带有舵机饱和特征的船舶航向信息进行数字采集，对所述船舶航向信息进行求导、转置及乘积运算，计算构成如下:权利要求1.，其特征是: (1)对带有舵机饱和特征的船舶航向信息进行数字采集， 对所述船舶航向信息进行求导、转置及乘积运算，计算构成如下:2.根据权利要求1所述的，其特征是:所述的船舶航向信息 包括船舶航向角、航向角速度及舵机信息。全文摘要本专利技术的目的在于提供，包括以下步骤对船舶航向运动进行数学描述，构造动态抗饱和补偿器，构造自适应backstepping控制器的第一状态向量z1，并构造z1的Lyapunov函数，进而取得虚拟控制；结合船舶航向角信息、航向角速度及动态抗饱和补偿器模块输出的补偿状态，求差计算出自适应backstepping控制器的第二状态向量z2，构造控制方法中总的Lyapunov函数，结合船舶航向稳定条件，获得带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制器，完成带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制方法。本专利技术思路明确、结构清晰合理、易于工程实现。文档编号G05B13/04GK103207568SQ20131008607公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日专利技术者彭秀艳, 胡忠辉, 赵新华, 王显峰, 闫金山 申请人:哈尔滨工程大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗舵机饱和的船舶航向自适应控制方法，其特征是：（1）对带有舵机饱和特征的船舶航向信息进行数字采集，对所述船舶航向信息进行求导、转置及乘积运算，计算构成如下：ψ·=rr·=φT(r)θ+bδ(δc)其中r为航向角速度，ψ为航向角，θ＝(θ1??θ2)T，φ(r)＝(r??r3)T，δ＝δ(δc)，δc为指令舵角，δ为实际舵角，θ为未知常数矩阵，θ1、θ2为矩阵列向量，b为符号已知的未知常数；（2）引入一个动态抗饱和补偿器，使得系统存在执行器饱和时，航向输出ψ跟踪期望航向ψd，动态抗饱和补偿器模块接收期望舵角与实际舵角的差值，即加法器的输出结果：动态抗饱和补偿器的构造方法为：χ·1=-d1χ1+χ2χ·2=-d2χ2+b^Δδ其中χ1、χ2为补偿器状态，Δδ为舵角偏差，Δδ＝δc?δ，d1、d2＞0为补偿器设计常数，为b的估计值；（3）将船舶输出航向角、船舶期望航向角与动态补偿器模块输出的补偿状态作减法运算，计算出自适应backstepping控制方法的第一状态向量z1：构造出backstepping控制器的第一状态向量z1和第二状态向量z2，为z1=ψ-ψd-χ1z2=r-ψ·d-α1-χ2其中α1为待定的虚拟镇定函数，其中z0为积分状态向量，则z1为z·1=ψ·-ψ·d-χ·1=z2+α1+d1χ1构造关于z1的Lyapunov函数V1，并求导，获得虚拟控制的形式为α1=?c1z1?d1χ1,其中c1为常数，且c1＞0；（4）根据步骤（3）获得的虚拟控制律，结合船舶航向角信息、航向角速度及动态抗饱和补偿器模块输出的补偿状态，求差计算出自适应backstepping控制器的第二状态向量z2，构造总的Lyapunov函数，获得带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制器，完成带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制：根据得到的虚拟控制，第二状态向量构成为z·2=r·-ψ··d-α·1-χ·2=φT(r)θ+b^δc-ψ··d-α·1+d2χ2+b~δ(δc)其中为θ的估计值，为θ的估计误差，β＝1/b，为β的估计值，为β的估计误差，为b的估计误差，构造关于z0、z1、z2和总的Lyapunov函数为V=V1+12z22+c02z02+12θ~TΓ-1θ~+12|b|γβ~2式中c0＞0为可设计参数，Γ＝diag{γ1,γ2}＞0为自适应增益矩阵，γ1和γ2为矩阵列向量，γ为常数，且γ＞0，为给定可调参数；对Lyapunov函数求导运算，使满足的稳定条件，获得抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制器该自适应控制器工作时，接收设定的期望航向角指令、船舶实际航向角及动态抗饱和补偿器模块输出的补偿状态，计算出指令舵角，将指令舵角转化为实际舵角，通过实际舵角，输出船舶的航向角，船舶的航向角反馈回自适应backstepping控制器，形成闭环系统，实现抗舵机饱和船舶航向自适应控制。FDA00002932517000015.jpg,FDA00002932517000017.jpg,FDA00002932517000023.jpg,FDA00002932517000024.jpg,FDA00002932517000025.jpg,FDA00002932517000026.jpg,FDA00002932517000027.jpg,FDA00002932517000028.jpg,FDA000029325170000210.jpg,FDA000029325170000211.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭秀艳，胡忠辉，赵新华，王显峰，闫金山，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：