[发明专利]基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法

摘要

本发明提出了一种基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法，从为方便控制设计进行简化数学模型描述开始，利用漂角对期望航向进行重新定义，修正欠驱动船舶动力学模型。针对存在于艏摇方向的干扰，利用非线性干扰观测器对其进行估计处理，为保证跟踪性能基于反步法设计航向控制器，并与观测器结合构成完整控制系统，控制算法可改善欠驱动船舶航向运动的控制性能，有效减少航向误差。

主权项

1.一种基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法，其特征在于：步骤1、建立2自由度欠驱动船舶航向系统模型；欠驱动船舶动力学模型如下所示：其中r是欠驱动船舶艏摇角频率，纵荡速度u为常数，横荡速度v被动有界，且与船舶控制中其他运动变量相比较小；ψ和ψ_d分别表示船舶实际航向角，即艏摇角和传统定义下的期望路径切线方向，即传统意义期望航向角；参数m_i表示包括附加质量的船舶系统惯性，d_i是艏摇、纵荡和横荡中的水动力阻尼，i分别为11、22和33，τ_r是唯一的控制输入量，即艏摇力矩，ω_r和ω_v为艏摇和横荡方向上有未知界的环境干扰；步骤2、下达期望航向指令，即设定航向角ψ_d；步骤3、计算实时漂角β，并对传统意义下期望航向角ψ_d进行修正；重新定义期望航向，即ψ_da＝ψ_d‑β       (3)步骤4、非线性扰动观测器对艏摇方向上不可预测的干扰ω_r进行估值处理；定义ω_r＝bξ       (5)其中，ξ是辅助变量，设计参数a、b为常数；非线性扰动观测器为其中z是辅助变量，是扰动ω_r的估计值，l(r)为常数是非线性干扰观测器的增益，p(r)是非线性函数，与l(r)存在以下关系：步骤5、反步控制器根据修正期望航向角ψ_da、船舶运动状态值ψ、r、v及外部干扰估计值的实时值，计算出船舶的艏摇力矩，即控制输入τ_r；引入新变量进行坐标变换其中z₁、z₂为辅助变量，表示为消除常值稳态偏移的待定虚拟镇定函数，设计参数k₁为正常数；引入滑模面其中设计参数c、k₂均为正常数；艏摇方向上扰动ω_r的估计值有界，假设设计自适应控制率如下：设计控制律为：设计参数k₃为正常数，定义正常数k₄及边界层Δ，饱和函数sat(s)为：步骤6、系统接收并执行控制输入指令τ_r，更新船舶当前航向值ψ及其他船舶运动状态量，即艏摇r、横荡v，并转到步骤3。