一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法，所述控制方法包括以下步骤：S1，建立目标虚拟船舶运动模型，以此设立数学模型；S2，求取步骤S1中数学模型中的状态空间；S3，根据系统的期望状态，求取状态误差；S4，将步骤S3中的状态误差代入，构造滑动模态曲面函数；S5，利用控制输入和最近时刻的状态信息来逼近系统的不确定性，构造自适应控制律，以对滑模进行控制。通过使用本发明专利技术中的自适应滑模控制算法能使船舶在受到干扰时自动调整，快速恢复其稳定状态。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法
本专利技术涉及船舶运动平衡控制
，具体而言，涉及一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法。
技术介绍
随着世界航运业的迅速发展，船舶航行安全以及现代化程度要求越来越高，因此船舶航行控制受到了广泛的关注。近几十年，出现了各种用于船舶控制系统的先进控制算法，如鲁棒控制、自适应控制以及各种智能控制方法等。但大多控制方法并没有应用于实际的控制系统中，一方面由于高级的控制方法带来了控制器设计上的复杂性以及过重的计算负担，另一方面与船舶运动的高度非线性以及复杂的海况也有很大关系。目前，船舶定位设备主要采用PID控制、线性二次型最优控制、backstepping积分控制、模糊控制和混合切换控制[1-5]。滑模控制是20世纪50年代苏联学者提出的变结构控制的一个分支，属于通过切换函数实现的非线性控制。根据系统状态的偏差程度，将控制律(或控制器参数)从滑模变为滑模。它对参数变化不敏感，具有抗干扰能力。近年来，滑模控制在船舶动力定位领域得到了迅速的发展。针对自主式水下机器人(auv)，王建民提出了一种基于backstepping方法、自适应神经网络和动态表面控制技术的鲁棒滑模编队控制策略[6]。Zhang提出了一种基于自适应不确定性补偿的自适应终端滑模控制方法，实现了水下机械手遥操作系统参考位置的主位置跟踪[7]。提出了一种基于径向基函数神经网络(RBFNN)局部逼近的从动机械臂位置跟踪方法。采用基于Ge-Lee(GL)矩阵的RBFNN直接逼近从机械臂动力学的各个单元，并设计了具有适当更新规律的鲁棒项来抑制估计模型与实际模型之间的误差和外界干扰。邵为船舶三自由度运动模型设计了滑模控制器和自适应滑模控制器[8]。DAI提出了一种基于强化学习的自适应迭代滑模控制方法，用于欠驱动船舶的路径跟踪[9]。秦采用了终端滑模和自抗扰控制方法[10]。王提出了终端滑模控制方法和辅助线性滑模面[11]。针对不确定时滞系统设计鲁棒控制器已成为一个关键问题。滑模变结构控制的鲁棒性使其对模型误差、参数变化和外界干扰不敏感。因此，变结构控制已成为时滞系统的一种有效控制方法。随着变结构控制理论的发展，对时滞系统的变结构控制进行了一些研究。[12-13]Roy提出了一种针对参数不确定性的自适应鲁棒控制(ARC)策略，称之为时滞ARC(TARC)。TARC通过时滞估计对未知动态进行逼近，对逼近误差具有鲁棒性。TARC既不需要完整的系统模型，也不需要任何预先定义的不确定性界的知识来计算开关增益，从而避免了开关增益的高估和低估问题。[14]Roy基于Lyapunov-Razumikhin定理进行了新的稳定性分析，并提出了一种时滞估计方法(TDE)基于ARC框架。[15]为了减小无状态导数时测量误差的影响，提出了一种新的基于TDE的控制器及其ARC框架，提出了基于Lyapunov-Krasovskii的TDE设计稳定性概念，作为Lyapunov-Razumikhin设计的替代/并行研究。与基于TDE的控制律相比，提出了一种新的无需系统动力学知识的ARC控制策略。Roy解决了时滞控制(TDC)中长期存在的连续时间一致稳定性分析与控制设计问题。基于新提出的TDE误差结构，提出了一种更为鲁棒的控制律。[16]Roy做出了许多重要贡献：提出了一种不需要先验有界不确定性的自适应滑模控制(ASMC)方法；[17]提出了一种新的ASMC控制策略，克服了传统ASMC中存在的欠估计和过估计问题；[18]提出了一种用于非完整轮式移动机器人精确路径跟踪的时滞滑模混合控制方法[19]。但是，经专利技术人调研，上述ASMC、TDE、ARC等控制方法在控制时间上反应较慢，并且需要调控过多的控制输入，在控制效率上还未能达到较好的效果，进而对船舶运动时的平衡控制造成影响，故此，本领域亟待一种解决前述问题的控制方法。[1]SorensenAJ.Asurveyofdynamicpositioningcontrolsystems[J].AnnualReviewsinControl,2011,35(1):123-136.[2]NguyenTD,SorensenAJ,QuekST.Designofhybridcontrollerfordynamicpositionfromcalmtoextremeseaconditions[J].Automatica,2007,43(5):768-785.[3]NguyenTD.Designofhybridmarinecontrolsystemfordynamicpositioning[D].Singapore:NationalUniversity,2011.[4]LindegaardKP.Accelerationfeedbackindynamicpositioning[D].Trondheim:NorwegianUniversityofScienceandTechnology,2003.[5]XUHaixiang.FengHui.Principleofshipdynamicpositioningsystem[M]，Beijing：NationalDefenseIndustryPress，2016.[6]JinqiangWang,CongWang,YingjieWei,ChengjuZhang.SlidingmodebasedneuraladaptiveformationcontrolofunderactuatedAUVswithleader-followerstrategy.AppliedOceanResearch,2020,94:1-9.[7]JianjunZhang,WeidongLiu,Li'eGao,LeLi,ZeyuLi.Themasteradaptiveimpedancecontrolandslaveadaptiveneuralnetworkcontrolinunderwatermanipulatoruncertaintyteleoperation.OceanEngineering165(2018)465–479.[8]SHAOJingfeng.Researchonshipdynamicpositioningcontrolbasedonslidingmodevariablestructure[D].Dalian:DalianMaritimeUniversity,2015.[9]DAIChangsheng.ResearchonAdaptiveIterativeslidingModeControlforUnderactuatedshipMotion[D].Dalian:DalianMaritimeUniversity,2017.[10]QINChaoyu.ActiveDisturbanceRejectionControlforShipPathFollowingBasedTerminalSlidingMode[D].Dalian:DalianMarit本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：/nS1，建立目标虚拟船舶运动模型，以此设立数学模型；/nS2，求取步骤S1中数学模型中的状态空间；/nS3，根据系统的期望状态，求取状态误差；/nS4，将步骤S3中的状态误差代入，构造滑动模态曲面函数；/nS5，利用控制输入和最近时刻的状态信息来逼近系统的不确定性，构造自适应控制律，以对滑模进行控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1，建立目标虚拟船舶运动模型，以此设立数学模型；
S2，求取步骤S1中数学模型中的状态空间；
S3，根据系统的期望状态，求取状态误差；
S4，将步骤S3中的状态误差代入，构造滑动模态曲面函数；
S5，利用控制输入和最近时刻的状态信息来逼近系统的不确定性，构造自适应控制律，以对滑模进行控制。


2.如权利要求1所述的一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，数学模型的设立将选取纵荡、横荡和艏摇三自由度运动作为参考值，建立二维坐标轴，其数学模型为：






其中，x为前进位置，y为横荡位置，η＝[xyψ]T为姿向量，R为旋转矩阵。


3.如权利要求1或2所述的一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S1还包括设立船舶高速和低速运动的动力学模型，其模型为：



其中，u为前进速度，v为横荡速度，r为艏摇角速度，υ＝[uvr]T为速度向量，M为惯性矩阵，D为阻尼矩阵，R为旋转矩阵，τ1为合成力矩，τω为外部干扰环境。


4.如权利要求3所述的一种基于时滞分数阶船舶运动自适应滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S2中求取状态空间过程包括定义ξ(t)为非线性系统函数，τ(t)为输入：



τ(t)＝RM-1τ1(t)；
以及取状态变量：x(t)＝η(t)；
得出状态空间：


5.如权利要求1或2所述的一种基于时滞分数阶船舶运动自...

【专利技术属性】
技术研发人员：方琼林，薛晗，沈金城，郭志富，李文锋，伊富春，邵哲平，洪长华，赵强，张锋，马峰，
申请(专利权)人：集美大学，交通运输部东海航海保障中心厦门航标处，
类型：发明
国别省市：福建;35