[发明专利]一种推进器故障时水面船轨迹跟踪的二阶预设性能容错控制方法

说明书

一种推进器故障时水面船轨迹跟踪的二阶预设性能容错控制方法，涉及船舶运动控制技术领域。本发明是为了解决水面船在执行轨迹跟踪作业任务时，容易受到较强的瞬态性能约束且存在推进器故障的问题。本发明建立水面船的运动学模型、动力学模型、推进器故障模型和轨迹跟踪误差系统模型；构造轨迹跟踪误差的性能函数和性能边界；定义轨迹跟踪误差系统的中间误差变量，构造中间误差变量的性能函数和性能边界；基于轨迹跟踪误差系统模型以及两个性能函数进行误差转换，获得轨迹跟踪误差的轨迹阶转换误差和中间误差变量的速度阶转换误差；利用转换误差设计二阶预设性能轨迹跟踪容错控制器，利用该控制器在推进器故障时对水面船实现二阶预设性能容错控制。

技术领域

本发明属于船舶运动控制技术领域。

背景技术

随着国家战略利益和战略空间不断向海洋拓展和延伸，以及“加快建设海洋强国”、《中国制造2025》和“21世纪海上丝绸之路”等一系列重大战略的部署和实施，海洋事业的发展逐渐成为国家发展的重要组成部分，合理开发和利用，切实保护和管理海洋已经成为国家生存、发展和强盛的重大战略问题。在此背景下，水面船轨迹跟踪控制问题受到了学者们的广泛关注。

长期以来，水面船轨迹跟踪系统的研究主要是针对系统稳态性能的研究，证明系统的稳定性，确保系统的跟踪误差能够收敛于一个有界集，或者渐近收敛到原点。然而，控制系统的性能通常由瞬态性能和稳态性能两部分共同组成，且瞬态性能在提升船舶控制性能方面同样发挥着非常重要的作用。如：当船舶作业于港口或平台附近时，以及船舶完成编队作业或猎扫雷作业时，过大的瞬态超调量在降低船舶作业效率的同时还可能导致船舶与平台或其它船舶发生碰撞，影响船舶作业的安全性。此外，当船舶进行铺管或铺缆等作业任务时，除轨迹阶瞬态误差会影响船舶作业安全性外，速度阶瞬态误差过大同样会对船舶作业产生影响，造成管道或缆绳断裂等不良后果。而船舶推进系统发生故障往往是造成系统轨迹阶误差或速度阶误差过大的关键因素。

发明内容

本发明是为了解决水面船在执行轨迹跟踪作业任务时，容易受到较强的瞬态性能约束且存在推进器故障的问题，现提供一种推进器故障时水面船轨迹跟踪的二阶预设性能容错控制方法。

一种推进器故障时水面船轨迹跟踪的二阶预设性能容错控制方法，包括以下步骤：

步骤一：建立水面船的运动学模型、动力学模型、推进器故障模型和轨迹跟踪误差系统模型；

步骤二：构造轨迹跟踪误差的性能函数和性能边界；

步骤三：定义轨迹跟踪误差系统的中间误差变量，构造中间误差变量的性能函数和性能边界；

步骤四：基于轨迹跟踪误差系统模型以及步骤二和步骤三获得的性能函数分别对轨迹跟踪误差和中间误差变量进行误差转换，分别获得轨迹跟踪误差的轨迹阶转换误差和中间误差变量的速度阶转换误差；

步骤五：利用轨迹阶转换误差和速度阶转换误差设计二阶预设性能轨迹跟踪容错控制器，利用该控制器在推进器故障时对水面船实现二阶预设性能容错控制；

所述二阶预设性能轨迹跟踪容错控制器为：

其中，