一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统，属于船舶自动控制技术领域，该方法针对智能船舶自动舵系统，运用模糊状态观测器和辅助设计系统，解决航向角追踪误差受限的智能船舶自动舵系统的输出反馈控制问题，航向角在有限时间内完成航向追踪控制任务，有效减少控制器对自动舵系统艏摇角速度状态信息的需求，提高航向跟踪速度和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统
本专利技术涉及船舶自动控制
，尤其涉及一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统。
技术介绍
智能船舶运动具有大时滞、大惯性、非线性等特点，航速及装载的变化产生了控制模型的参数摄动，航行条件的变化、环境参数的干扰及测量的不精确性等因素都使智能船舶航向控制系统产生了不确定性。针对这些非线性不确定动态带来的问题，智能算法不断应用于智能船舶航向控制领域，如自适应控制、鲁棒控制、模糊自适应控制、迭代滑模控制、最少参数学习方法。当前多数船舶航向轨迹追踪设计均采用状态反馈控制方法，该方法假设船舶航向系统全部状态信息已知。然而在实际工程应用中，船舶航向系统测量仪器存在不可避免的噪声问题，这就使测量自动舵系统的全部信息存在一定的困难，增加测量仪器性能要求和负担，多数情况下，自动舵航向控制系统中所需要的艏摇角速度信息为未知，当前现有的多数状态反馈控制方法，解决不了自动舵系统艏摇角速度未知的控制器设计问题，尤其是航向角追踪误差存在受限和执行航向追踪任务时间有限的情况。因此，现有智能船舶航向控制成果中，较少考虑控制性能与控制成本的折中，使用成本较高不利于工程实现。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法及系统。本专利技术主面向考虑艏摇角速度未知的智能船舶自动舵系统，通过模糊自适应输出反馈控制，可有效降低控制器能量消耗、减少舵机磨损，提高航向跟踪速度和精度。本专利技术采用的技术手段如下：一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法，包括如下步骤：S1、将采集到的航向信息传送给船载计算机，船载计算机考虑船舶稳态回转非线性特性，建立有关航向角的智能船舶自动舵系统数学模型，所述航向信息包括根据船舶舵机测量的舵角数据和罗经测量的当前航向角数据，其中艏摇角速度为不可测得；S2、利用模糊逻辑系统的通用逼近原理，对自动舵系统中的未知非线性函数进行逼近，并设计用于估计自动舵系统未知的艏摇角速度的模糊状态观测器；通过模糊状态观测器与自动舵系统之间的关系得到观测器误差动态；S3、根据航向角追踪动态误差受限特性，基于受限性能阀值，得到辅助补偿信号，根据航向角信号与参考信号之间的动态误差和辅助补偿信号，基于自适应后推方法，设计智能船舶自动舵系统的虚拟控制函数；S4、通过所述模糊状态观测器和误差状态受限的自动舵系统数学模型以及观测器误差动态、辅助补偿信号、虚拟控制函数、自适应模糊更新率，得到自动舵系统的实际控制舵角，此舵角指令传递给船舶舵机输出船舶航向角，实现船舶航向的自动舵系统航向轨迹跟踪控制。进一步地，所述步骤S1中，建立智能船舶自动舵系统数学具体模型为：式(1)中，为航向角，δ为舵角；K是船舶回转性指数，T为船舶跟从性指数，为未知的非线性函数，定义状态变量u＝Kδ/T，将式(1)变化，得到船舶航向非线性系统数学模型：式(2)中，xi,i＝1,2为系统的状态，u为系统的输入，y为系统的输出，f(x2)为未知的不确定函数，满足李普希茨条件，存在一个已知常数l，使得为x2的估计值。所述步骤S2具体包括：利用模糊逻辑系统通用逼近原理得到自动舵系统中的未知非线性函数f(x2)的逼近值为所述的未知非线性函数可被描述为式中，θ*为根据预设的船舶航向理想的参数向量，为理想参数向量θ*的估计值，ε为根据预设的船舶航向理想的自动舵系统特性与自动舵系统中未知非线性函数之间的关系得到的模糊任意小逼近误差，ε满足|ε|≤ε*，ε*是一个正的常数。结合式(3)，系统(2)可改写为式中，Δf为自动舵系统中的未知非线性函数f(x2)与利用模糊逻辑系统对其进行逼近后得到的逼近值之间做差得到的差值。为了估计系统(3)的艏摇角速度，设计模糊状态观测器为式中，m1＞0,m2＞0为待设计的观测器参数。将式(5)改写为式中，M＝[m1,m2]T，C＝[1,0]T，B＝[0,1]T；定义观测误差e为：由式(4)和(6)可得观测误差动态为：式中，ε＝[0,ε]T，ΔF＝[0,Δf]T，所述步骤S3具体包括：设计智能船舶自动舵系统的有限时间虚拟控制函数α1F具体为：定义船舶航向控制系统误差坐标变化方程式中，yr为自动舵系统期望的跟踪参考信号，α1F为虚拟有限时间控制函数，根据受限的自动舵系统航向角追踪误差得到辅助补偿信号为式中，kb1为设计参数。根据有限时间辅助补偿信号和自动舵系统误差方程定义虚拟有限时间控制函数α1F为式中c1＞0是待设计参数，1＞β＞0是待设计参数。所述步骤S4具体包括：设计智能船舶自动舵系统的有限时间自适应模糊更新率为：式中，γ＞0，σ＞0为设计参数；设计系统的实际有限时间控制器：式中，c2＞0为设计参数，激活函数是有界的，即本专利技术还提供了一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制系统，包括：数据采集单元，用于采集船舶航行过程中的航向信息，所述航向信息包括舵角数据和当前航向角数据；数据传输单元，用于将采集到的船舶航行过程中的航向信息传输至船载计算机；船载计算机，用于处理采集到的船舶航行过程中的航向信息，完成船舶航向的模糊自适应输出反馈控制，其具体包括：船舶航向自动舵系统数学模型构筑模块，用于基于所述航向信息构筑系统输入与输出之间的智能船舶自动舵系统数学模型；模糊状态观测器构筑模块，用于利用模糊逻辑系统的万能逼近原理对系统非线性函数逼近，设计用于估计智能船舶自动舵系统的艏摇角速度的模糊状态观测器；有限时间辅助补偿信号，用于利用自动舵系统航向角追踪误差特性描述函数，设计智能船舶自动舵系统的航向角追踪误差受限函数，并以此设计辅助系统；有限时间虚拟控制器构筑模块，用于利用输出信号与参考信号之间的误差设计智能船舶自动舵系统的虚拟控制函数，并以此设计虚拟控制器；有限时间实际控制器构筑模块，用于通过万能逼近原理求解所述模糊状态观测器和考虑航向角追踪误差受限的自动舵系统数学模型以及观测误差动态、有限时间辅助设计函数、有限时间虚拟控制函数、有限时间自适应模糊更新率，得到系统的有限时间实际控制器；数据反馈单元，用于将计算的所述实际受限舵角指令信息反馈到船舶舵机，输出船舶航向角，实现智能船舶自动舵系统的自适应输出反馈控制。本专利技术与现有技术相比，一方面针对考虑了航向角追踪误差受限的智能船舶自动舵系统，运用辅助系统和模糊状态观测器，解决智能船舶自动舵系统的输出反馈问题，有效地降低了控制器对航向系统艏摇角速度状态信息的依赖，同时考虑了实际工程中航向角追踪误差受限的特性，另一方面本专利技术建立的模糊状态观测器采用的是一种智能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、将采集到的航向信息传送给船载计算机，船载计算机考虑船舶稳态回转非线性特性，建立有关航向角、艏摇角速度、舵角的智能船舶自动舵系统数学模型，所述航向信息包括根据船舶舵机测量的舵角数据和罗经测量的当前航向角数据，其中艏摇角速度为不可测得；/nS2、利用模糊逻辑系统的通用逼近原理，对自动舵系统中的未知非线性函数进行逼近，并设计用于估计自动舵系统艏摇角速度信息的模糊状态观测器；通过模糊状态观测器与自动舵系统之间的关系得到观测误差动态；/nS3、根据航向角追踪误差受限特性，设计受限误差辅助补偿信号，基于输出信号与参考信号之间的误差和辅助补偿信号，设计智能船舶自动舵系统的有限时间虚拟控制函数；/nS4、通过所述模糊状态观测器和考虑艏摇角速度未知的自动舵系统数学模型以及观测误差动态、辅助补偿信号、有限时间虚拟控制函数、有限时间自适应模糊更新率，得到自动舵系统的实际有限时间控制舵角，此舵角指令传递给船舶舵机输出船舶航向角，实现船舶航向的自动舵系统航向轨迹跟踪控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈有限时间控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将采集到的航向信息传送给船载计算机，船载计算机考虑船舶稳态回转非线性特性，建立有关航向角、艏摇角速度、舵角的智能船舶自动舵系统数学模型，所述航向信息包括根据船舶舵机测量的舵角数据和罗经测量的当前航向角数据，其中艏摇角速度为不可测得；
S2、利用模糊逻辑系统的通用逼近原理，对自动舵系统中的未知非线性函数进行逼近，并设计用于估计自动舵系统艏摇角速度信息的模糊状态观测器；通过模糊状态观测器与自动舵系统之间的关系得到观测误差动态；
S3、根据航向角追踪误差受限特性，设计受限误差辅助补偿信号，基于输出信号与参考信号之间的误差和辅助补偿信号，设计智能船舶自动舵系统的有限时间虚拟控制函数；
S4、通过所述模糊状态观测器和考虑艏摇角速度未知的自动舵系统数学模型以及观测误差动态、辅助补偿信号、有限时间虚拟控制函数、有限时间自适应模糊更新率，得到自动舵系统的实际有限时间控制舵角，此舵角指令传递给船舶舵机输出船舶航向角，实现船舶航向的自动舵系统航向轨迹跟踪控制。


2.根据权利要求1所述的智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立智能船舶自动舵系统数学具体模型为：



式(1)中，为航向角，δ为舵角；K是船舶回转性指数，T为船舶跟从性指数，为未知的非线性函数，定义状态变量u＝Kδ/T，将式(1)变化，得到船舶航向非线性系统数学模型：



式(2)中，xi,i＝1,2为系统的状态，u为系统的输入，y为系统的输出，f(x2)为未知的不确定函数，满足李普希茨条件，存在一个已知常数l，使得为x2的估计值。


3.根据权利要求2所述的智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
利用模糊逻辑系统通用逼近原理得到自动舵系统中的未知非线性函数f(x2)的逼近值为所述的未知非线性函数可被描述为



式中，θ*为根据预设的船舶航向理想的参数向量，为理想参数向量θ*的估计值，ε为根据预设的船舶航向理想的自动舵系统特性与自动舵系统中未知非线性函数之间的关系得到的模糊任意小逼近误差，ε满足|ε|≤ε*，ε*是一个正的常数；
结合式(3)，系统(2)可改写为



式中，Δf为自动舵系统中的未知非线性函数f(x2)与利用模糊逻辑系统对其进行逼近后得到的逼近值之间做差得到的差值；
为了估计系统(3)的未知的艏摇角速度，设计模糊状态观测器为



式中，m1＞0,m2＞0为待设计的观测器参数；
将式(5)改写为



式中，M＝[m1,...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁山，朱丽燕，单麒赫，陈俊龙，肖杨，左毅，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21