[发明专利]一种具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法

说明书

本发明涉及船舶航行技术领域，提供一种具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，包括：通过采用非线性二阶Nomoto模型，引入舵机故障模型设计自适应律在线补偿偏置故障、失效故障引起的控制精度影响，并结合最小参数化方法，对繁重的神经网络权值横向压缩，仅需要设计两个自适应参数对故障参数和增益未知项在线补偿，能够有效地保障船舶自主航行安全；针对未知参数问题和海洋干扰问题，通过引入径向基神经网络(RadialBasis NeuralNetwork,RBF‑NN)，并利用反步法设计船舶航向保持控制器，最后通过利用李雅普诺夫直接法证明了所设计方法的稳定性。

技术领域

本发明涉及船舶航行技术领域，尤其涉及一种具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法。

背景技术

随着船舶自动化程度的不断提高，欠驱动船舶的航向保持控制得到了国内外海洋控制领域众多学者的广泛研究，比如自动舵的开发。最为经典的航向保持控制方法有比例-积分-微分(Proportional Integral Differential,PID)控制，这种方法是根据线性模型建立的，然而船舶是一种典型的二阶线性复杂的欠驱动系统，因此用线性化的模型很难完全描述船舶运动特点。

近年来，智能控制理论的迅速发展，鲁棒控制、自适应控制、模糊逼近/神经网络逼近控制等众多控制理论不断涌现，比如，通过一种非线性反馈的欠驱动船航向跟踪控制算法，达到非线性补偿的作用，实现非线性船舶系统跟踪问题。但是，在现有技术中仍然有很多问题有待解决，特别是针对航向保持控制问题，现有技术的缺点主要可总结为以下两点：

(1)船舶在航行中可能会由于设备磨损严重、海生物缠绕等原因使舵机引发偏置和失效故障，从而导致航向保持控制效果变差甚至整个系统的失效。

(2)船舶非线性控制系统中存在未知海洋干扰、模型参数不确定等因素，在现有技术中通常假设模型参数为已知并且未考虑海洋环境干扰，这违背了实际海洋工程实践。

发明内容

本发明主要解决现有技术的上述两点技术问题，提出一种具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，引入舵机故障模型设计自适应律在线补偿偏置故障、失效故障引起的控制精度影响，并结合最小参数化方法，对繁重的神经网络权值横向压缩，仅需要设计两个自适应参数对故障参数和增益未知项在线补偿，实现有效地保障船舶自主航行安全的目的。

本发明提供了一种具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，包括：

构建船舶的Nomoto非线性模型和舵机故障模型；

根据所述船舶的Nomoto非线性模型定义航向误差，采用动态面控制技术设计虚拟控制器以镇定航向误差；

引入径向基神经网络以处理所述非线性模型中的不确定项；

根据所述舵机故障模型，并结合最小参数化方法对所述径向基神经网络权值横向压缩；

通过引入自适应参数设计自适应律，在线补偿偏置故障、失效故障引起的控制精度影响，并将所述自适应律输入船舶航向保持控制器，以镇定转艏角速度误差。

进一步地，所述构建船舶的Nomoto非线性模型，包括：

船舶的Nomoto非线性模型如式(1)所示。

式中，ψ为航向角；为非线性模型项；δ为舵角命令；Δ为外界干扰，T，K为船舶的操纵指数，α₁,α₂为关于转艏速率的比例系数；舵角δ满足δ∈[-35°,35°]。

进一步地，所述构建船舶的Nomoto非线性模型，还包括：

为了方便控制器设计，将式(1)转换为状态空间的形式：