[发明专利]一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法

权利要求书

1.一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、根据船舶参数确定船舶横摇动力学方程，所述船舶横摇动力学方程如下：

其中，φ为船舶横摇角度；M_w为海浪干扰力矩；M_c为减摇鳍产生的船舶横摇控制力矩；(I+ΔI)为船舶横摇的船体惯性矩和附加惯性矩之和；为非线性阻尼系数模型；C(φ)为船体恢复力矩模型；

将式(1)展开得

由式(2)得：

式(3)方程两边同时除以(I+ΔI)得：

式(2)中：D₀、D₁₁、D₂₂为非线性阻尼项系数；C₀、C₂、C₄为船体恢复力矩项系数；

式(4)中：a₁＝-C₀/(I+ΔI)；a₂＝-C₂/(I+ΔI)；a₃＝-C₄/(I+ΔI)；a₄＝-D₀/(I+ΔI)；a₅＝-D₁₁/(I+ΔI)；a₆＝-D₂₂/(I+ΔI)；

所述海浪干扰力矩M_w正比于海浪波倾角α_e，即M_w＝c₁α_e，c₁为力矩系数；船舶横摇控制力矩M_c与减摇鳍角度α_f呈线性关系，即M_c＝bα_f，b为力矩系数；

步骤2、根据所述船舶横摇动力学方程，写出其状态空间形式，并确立不确定项，所述不确定项由船舶所受外界干扰和船舶参数摄动造成；

选取即船舶横摇角度x₁、横摇角速度x₂作为状态变量；y＝φ＝x₁作为输出变量；u＝α_f作为控制信号输入变量；

船舶横摇动力学方程转化为状态空间形式为：

则可表示为：

上式中，F表示不确定项的相反数；不确定项具体包括非线性恢复力矩不确定摄动项(Δa₁x₁、Δa₂x₁³、Δa₃x₁⁵)、非线性阻尼不确定摄动项(Δa₄x₂、Δa₅|x₂|x₂、Δa₆x₂³)和外界干扰Δbu、Δc₁α_e的总和，即：

F＝-(Δa₁x₁+Δa₂x₁³+Δa₃x₁⁵+Δa₄x₂+Δa₅|x₂|x₂+Δa₆x₂³+Δbu+Δc₁α_e)；

步骤3、设计非线性干扰观测器，对不确定项进行观测、估计；

所述非线性干扰观测器为：

上式中，为对所述不确定项F的观测估计，为对横摇角速度x₂的观测估计；k₁>0,k₂>0；

步骤4、根据步骤3中对不确定项的观测估计值，设计指数收敛的滑模控制器；

所述滑模控制率为：

上式中，s为滑模函数；现有技术中基于指数趋近律的滑模函数导函数为ε、k为指数趋近律的等速项和指数项常参数；e为船舶横摇角偏差；为系统期望船舶横摇角加速度值；c为滑模函数比例系数。

2.如权利要求1所述的基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，其特征在于，还包括步骤5：验证干扰观测器和控制率的稳定性，所述验证干扰观测器稳定性的方法具体为：

定义干扰观测器的Lyapunov函数为：

其中，是所述干扰观测器的观测误差，

对上式求导得到：

假设F为慢时变信号，即很小，k₁取值较大时，上式可近似写为：

因此，干扰观测器稳定；

所述验证控制率稳定性的方法为：

定义Lyapunov函数为：

则由得：

因此，控制率稳定；

所述步骤1～步骤4形成了一个闭环反馈控制系统，还包括验证此闭环反馈系统的稳定性；

所述验证闭环反馈系统的稳定性的方法为；

定义闭环系统的Lyapunov函数为：

由干扰观测器、控制率的稳定性的验证过程可得：

因此，闭环反馈系统稳定。