一种考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法技术

本发明专利技术涉及船舶航行控制技术领域，提供一种考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，通过在运动学部分引入饱和补偿误差变量，直接地缓和了参考信号过大导致执行器受限的问题。以实际可测变量(即螺旋桨转速和舵角)作为输入变量构建辅助饱和模型，从而解决船舶在实际海洋作业中存在执行器饱和的问题。通过引入事件触发规则，使船舶系统根据自身控制精度调节信号传输频次，即当系统控制精度足够高时，降低触发频次从而减少执行器操纵频次；当系统控制精度较差时，增大触发阈值从而能够保证跟踪精度。这能够避免路径跟踪控制器产生的控制命令的频繁传输，从而优化执行器的控制性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶航行控制
，尤其涉及一种考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]船舶路径跟踪控制是船舶运动控制的主要任务之一，针对船舶路径跟踪控制研究，已经取得了大量的有益成果，例如自适应控制、滑模控制、神经网络控制等。尽管这些控制算法在处理模型不确定项以及提升跟踪精度方面具有很大的优势，但是忽略了考虑实际输入的执行器饱和效应的问题，此外,现有技术通常需要根据实时命令频繁操纵执行器。因此针对路径跟踪控制问题，现有技术的缺点主要可总结为以下两点：
[0003](1)在实际路径跟踪航行任务中，船舶执行器由于其自身特性往往受到执行器饱和的约束。现有技术中设计的饱和辅助模型仅考虑以控制力(矩)作为输入，但是在海洋工程实践中是不可测的，不能够有效考虑船舶实际输入的执行器饱和问题，即船舶螺旋桨转速和舵角对执行器饱和的影响的问题。
[0004](2)尽管现有基于连续时间的控制算法能够取得令人满意的船舶控制精度，但是连续信号的传输需要实时更新控制命令，并且控制命令不断地传输到执行器，会造成执行器频繁操纵，必然会导致执行器过度磨损，降低使用寿命的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决两方面技术问题：一是现有技术的船舶运动模型不能够有效考虑船舶螺旋桨转速和舵角对执行器饱和的影响，忽略了船舶执行器由于其自身特性受到执行器饱和的约束的技术问题；二是现有技术的控制算法为保证控制精度需要控制命令不断地传输到执行器会导致执行器过度磨损，降低使用寿命的问题，从而提出一种考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，以达到解决船舶在实际海洋作业中存在执行器饱和的问题和避免路径跟踪控制器产生的控制命令的频繁传输，从而优化执行器的控制性能的目的。
[0006]本专利技术提供了一种考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，包括：
[0007]构建船舶的三自由度模型；
[0008]根据所述船舶的三自由度模型，以实际可测变量作为输入变量构建能够减少执行饱和效应影响的辅助饱和模型，并根据所述辅助饱和模型设计虚拟控制器；
[0009]在所述船舶路径跟踪控制器中构建基于输入端口的事件触发规则；所述事件触发规则包括：当控制精度足够高时，降低触发频次从而减少执行器操纵频次；当控制精度较差时，增大触发阈值从而能够保证跟踪精度；
[0010]基于所述事件触发规则设计事件触发船舶路径跟踪控制器及其相应的自适应参数。
[0011]进一步地，所述实际可测变量，包括：螺旋桨转速和舵角。
[0012]进一步地，所述构建船舶的三自由度模型，包括：
[0013]船舶的非线性模型如式(1)所示：
[0014][0015]式中，x,y,ψ表示船舶的位置以及艏向角，u,v,r分别表示船舶的前进速度、横漂速度和艏摇角速度；f
u
(v),f
v
(v),f
r
(v)表示船舶模型中由于高阶水动力导数引起的模型不确定项，m
u
,m
v
,m
r
表示附加质量，d
wu
,d
wv
,d
wr
表示时变外界环境扰动，T
u
(
·
),F
r
(
·
)表示执行器未知增益函数。
[0016]进一步地，基于所述船舶的非线性模型的船舶系统的控制命令表示为：
[0017]定义变量o
N
＝N,o
δ
＝δ；
[0018][0019]进一步地，所述根据所述船舶的三自由度模型，以实际可测变量作为输入变量构建能够减少执行饱和效应影响的辅助饱和模型，包括：
[0020]定义跟踪误差如式(3)所示：
[0021][0022]为了减少执行饱和效应的影响，设计以下辅助饱和模型如式(4)所示：
[0023][0024]式中，γ
i1
,γ
i2
,i＝u,r为饱和补偿误差变量，ΔN＝Sat(N)
‑
o
N
，Δδ＝Sat(δ)
‑
o
δ
，p
i1
,p
i2
表示为控制参数；
[0025]因此，跟踪误差可以进一步修正为式(5)：
[0026][0027]对式(5)求导数，可以进一步得出式(6)：
[0028][0029]式中，
[0030]进一步地，所述根据所述辅助饱和模型设计虚拟控制器，包括：
[0031]虚拟控制器如式(7)所示：
[0032][0033]式中，表示正的设计参数；
[0034]为了避免对虚拟控制器的反复求导，引入一阶低通滤波器β
u
,β
r
使虚拟控制器在时间常量t
u
,t
r
通过，如式(8)所示：
[0035][0036]因此，通过定义动力学误差u
e
＝β
u
‑
u,r
e
＝β
r
‑
r,可以得到运动学误差的导数为式(9)所示：
[0037][0038]进一步地，所述在所述船舶路径跟踪控制器中构建基于输入端口的事件触发规则，包括：
[0039]引入以下事件触发规则如式(10)所示，从而能够使控制命令仅在触发点时刻传输，如式(11)所示：
[0040][0041][0042]式中，表示间接控制器，表示间接控制器和控制命令o
k
(t)之间的测量误差，η
k
(t)表示阈值参数；
[0043]得到控制命令输入如式(12)所示：
[0044][0045]式中，χ
k1
(t),χ
k2
(t)表示触发区间参数；
[0046]将式(12)代入式(9)，并且针对式(9)中模型不确定项问题，通过径向基神经网络逼近模型不确定项f
u
(v),f
r
(v)，如式(13)所示：
[0047][0048]式中，β
v
＝[β
u
,v,β
r
]T
γ
v
＝[γ
u2
,0,γ
r2
]T
。
[0049]进一步地，所述基于所述事件触发规则设计事件触发船舶路径跟踪控制器及其相应的自适应参数，包括：
[0050]定义
[0051]采用自适应参数和作为和的估计值，自适应参数作为和的估计值，得到事件触发路径跟踪控制器，即式(14)和(15)，以及相关的自适应参数(16)和(17)；
[0052][0053][0054][0055]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：构建船舶的三自由度模型；根据所述船舶的三自由度模型，以实际可测变量作为输入变量构建能够减少执行饱和效应影响的辅助饱和模型，并根据所述辅助饱和模型设计虚拟控制器；在所述船舶路径跟踪控制器中构建基于输入端口的事件触发规则；所述事件触发规则包括：当控制精度足够高时，降低触发频次从而减少执行器操纵频次；当控制精度较差时，增大触发阈值从而能够保证跟踪精度；基于所述事件触发规则设计事件触发船舶路径跟踪控制器及其相应的自适应参数。2.根据权利要求1所述的考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，其特征在于，所述实际可测变量，包括：螺旋桨转速和舵角。3.根据权利要求2所述的考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，其特征在于，所述构建船舶的三自由度模型，包括：船舶的非线性模型如式(1)所示：式中，x,y,ψ表示船舶的位置以及艏向角，u,v,r分别表示船舶的前进速度、横漂速度和艏摇角速度；f
u
(v),f
v
(v),f
r
(v)表示船舶模型中由于高阶水动力导数引起的模型不确定项，m
u
,m
v
,m
r
表示附加质量，d
wu
,d
wv
,d
wr
表示时变外界环境扰动，T
u
(
·
),F
r
(
·
)表示执行器未知增益函数。4.根据权利要求3所述的考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，其特征在于，基于所述船舶的非线性模型的船舶系统的控制命令表示为：定义变量o
N
＝N,o
δ
＝δ；5.根据权利要求4所述的考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，其特征在于，所述根据所述船舶的三自由度模型，以实际可测变量作为输入变量构建能够减少执行饱和效应影响的辅助饱和模型，包括：
定义跟踪误差如式(3)所示：为了减少执行饱和效应的影响，设计以下辅助饱和模型如式(4)所示：式中，γ
i1
,γ
i2
,i＝u,r为饱和补偿误差变量，ΔN＝Sat(N)
‑
o
N
，Δδ＝Sat(δ)
‑
o
δ
，p
i1
,p
i2
表示为控制参数；因此，跟踪误差可以进一步修正为式(5)：对式(5)求导数，可以进一步得出式(6)：式中，6.根据权利要求5所述的考虑执行饱和的船舶事件触发路径跟踪控制方法，其特征在于，所述根据所述辅助饱和模型设计虚拟控制器，包括：虚拟控制器如式...

【专利技术属性】
技术研发人员：李博，刘上，黄晨峰，张国庆，倪海笑，
申请(专利权)人：博海智航大连船舶科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：