[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

摘要

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。

主权项

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：/n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：/n /n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；/n将式(1)展开得/n /n由式(2)得：/n /n式(3)方程两边同时除以(I+ΔI)得：/n /n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；/n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)；/n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；/n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；/n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；/n船舶横摇动力学方程转化为状态空间形式为：/n /n则可表示为：/n /n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：/nF＝-(Δa₁x₁+Δa₂x₁³+Δa₃x₁⁵+Δa₄x₂+Δa₅|x₂|x₂+Δa₆x₂³+Δbu+Δc₁α_e)；/n步骤3、设计非线性干扰观测器，对不确定项进行观测、估计；/n所述非线性干扰观测器为：/n /n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；/n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；/n所述滑模控制率为：/n /n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。/n