[发明专利]一种满足预设跟踪性能的欠驱动水面船舶控制方法

权利要求书

1.一种满足预设跟踪性能的欠驱动水面船舶控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、建立欠驱动水面船舶动态模型：将向量形式的动态模型展开成标量形式；

步骤2、设计控制系统的稳态及暂态性能要求：定义水面船舶的位置和航向角与任意参考轨迹之间的跟踪误差，设计性能函数并对预设性能的跟踪误差进行函数转换；所述跟踪误差方程设计如下：

其中，e₁(t)为由e₁(t)和e₂(t)组成的向量、η₁＝[x,y]^T为水面船舶在大地坐标中的位置，η_d1＝[x_d,y_d]^T为水面船舶期望参考轨迹的位置，ψ为船舶的航向角，ψ_d为船舶的期望航向角，e₁(t)为船舶实际轨迹与参考轨迹在x轴方向的误差，e₂(t)为船舶实际轨迹与参考轨迹在y轴方向的误差，e₃(t)为船舶实际航向角与参考航向角的误差；

步骤3、设计速度误差方程，引入额外控制，得到如下的速度误差方程：

其中，u为船舶的纵向速度、v为船舶的横荡速度、r为船舶的转向角速度、α₁为针对速度u设计的虚拟控制器、α₂为针对速度v设计的虚拟控制器、α₃为针对速度r设计的虚拟控制器、z₂为由z₂₁和z₂₂组成的向量、z₂₁为u与α₁的误差、z₂₂为v与(α₂+h₁(β))的误差、z₃₁为r与(α₃+h₂(β))的误差、h₁(β)为第一个横截函数、h₂(β)为第二个横截函数、β为横截函数的自变量、同时引入一个额外控制输入设计虚拟控制器；

步骤4、设计扰动观测器补偿外部时变扰动：应用扰动观测器补偿系统动态中的未知扰动，避免高增益控制输入并提高控制系统的稳态精度；

步骤5、设计状态反馈跟踪控制器：应用李雅普诺夫稳定性理论并结合逐步后推设计方法构造稳定的跟踪控制器。

2.根据权利要求1所述的一种满足预设跟踪性能的欠驱动水面船舶控制方法，其特征在于：步骤1中，所述展开成标量形式的欠驱动水面船舶动态模型为：

其中，ψ为船舶的航向角，r为ψ求导后得到的船舶转向角速度，R(ψ)表示旋转矩阵、表示位置η₁的导数、表示纵向速度u的导数、表示横荡速度v的导数、表示转向角速度r的导数、τ_u表示纵向推力、τ_r表示转向力矩、表示纵向速度u方向上的外部时变扰动、表示横荡速度v方向上的外部时变扰动、表示转向角速度r方向上的外部时变扰动、φ_u为纵向速度u方向上的科氏力和阻尼力的合力、φ_v为横荡速度v方向上的科氏力和阻尼力的合力、φ_r为转向角速度r方向上的科氏力和阻尼力的合力、m₁₁为纵向速度u方向上的分质量、m₂₂为横荡速度v方向上的分质量、m₂₃为非对称的船头船尾在横荡速度v方向上的分质量、并且，

其中，m₃₃为转向角速度r方向上的分质量、d₁₁为纵向速度u方向上的水动力阻尼系数、d₂₂为横荡速度v方向上的水动力阻尼系数、d₂₃为非对称的船头船尾在横荡速度v方向上的水动力阻尼系数、d₃₂为非对称的船头船尾在转向角速度r方向上的水动力阻尼系数、d₃₃为转向角速度r方向上的水动力阻尼系数。