[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

说明书

本发明公开了一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，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；步骤2、根据船舶动力学方程，写出其状态空间形式，并确立不确定项；步骤3、设计非线性干扰观测器，对不确定项进行观测、估计；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；步骤5、验证干扰观测器和控制率的稳定性；所述步骤1～步骤4形成了一个闭环反馈控制系统，验证此闭环反馈系统的稳定性。本发明所涉及的干扰观测器可对船舶非线性运动模型的干扰及不确定项进行观测，可根据观测的干扰值设计控制率，减小系统对扰动的响应。

技术领域

本发明涉及船舶减摇鳍控制策略，具体涉及一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法。

背景技术

在船舶航行运营中，安全性和舒适性是基本的要求，都期望船舶以较小或近似为零的横摇角航行，一来可以提高安全性和舒适性，二来可以确保船舶精密仪器的工作需求，此外较小的横摇角对于战舰武器的精度和安全提供很大的保障。船舶横摇角由海浪引起，可通过减摇鳍、减摇水舱、舭龙骨等装置减小船舶横摇角度。减摇鳍因其在高速航行中良好的减摇效果，得到广泛的应用。

随着研究的深入，对减摇鳍的控制策略也是层出不穷，传统的PID控制在特定海况能够实现较好的减摇效果，但海况的变化可能会降低其减摇效果；自适应控制和模糊控制能够实现控制器参数随外界干扰的变化而变化，但其在出现机械故障的时候容易产生误操作，因此在高安全性环境中，一般不使用自适应控制和模糊控制；滑模控制通过设计滑模面是系统运行在滑动模态下，处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性。滑模控制是一类特殊的非线性控制，其非线性表现在控制的不连续性，即在滑模面的两侧切换控制。而当状态轨迹到达滑模面后难以严格地沿着滑模面向平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，产生抖振。为减小外界干扰与系统抖振本专利采用一种基于干扰观测器的指数收敛的滑模控制方法，并使用饱和函数代替符号函数减小抖振。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于干扰观测器的船舶减摇鳍滑模控制方法，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；

步骤2、根据船舶动力学方程，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；

步骤3、设计非线性干扰观测器，对不确定项进行观测、估计；

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。

其进一步的技术方案为，还包括步骤5：验证干扰观测器和控制率的稳定性；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。

其进一步的技术方案为：

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。

其进一步的技术方案为：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；