一种基于高增益观测器船舶航向量化输入输出反馈控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法，包括：对船舶输出函数未知的二阶非线性系统的输出反馈控制问题进行数学建模；采用对数量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化处理；针对量化后的状态变量及控制系统中存在的不确定项，利用高增益观测器进行估计，并将估计值用于无人船舶航向跟踪控制器的设计，设计一个带有自适应滑模增益的新控制器并结合扇形约束方法来补偿量化误差的影响；基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于高增益观测器船舶航向量化输入输出反馈控制方法


[0001]本专利技术涉及人工智能
，具体而言，尤其涉及一种基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法
。

技术介绍

[0002]近年来，随着海洋战略地位逐渐提高，智能航海技术快速发展，水面无人船舶凭借其小型化
、
智能化
、
自主化的特点受到广泛关注
。
无人船在水上搜救
、
近岸监控等领域应用广泛，面对复杂的海洋环境，无人船可以在有效进行海洋作业的同时，兼顾安全性和经济性，颇具研究价值
。
[0003]船舶航向控制作为无人船舶的关键技术之一，一直是领域研究的重点及热点
。
但研究大多只考虑了如何增强船舶航向跟踪控制精度
、
稳定性
、
鲁棒性等，但在航海实践中，控制信号需要通过通信信道传输，考虑到海上通讯带宽受限，为保证系统在给定的带宽内正常运行，考虑带有输入及状态量化的船舶航向跟踪控制更具有航海实践意义
。
[0004]量化是将连续信号转化为一组离散符号或整数值的过程
。
在船舶航向控制系统中，对控制输入主观进行量化不仅可以减轻信号传输的负担，减少舵机执行频次，还可以降低操舵幅度，更契合航海实践中舵机伺服系统的控制规律
。
对系统的信号做量化处理，可以减轻信号传输的负担，但由于量化操作是对数据做了近似，所以不可避免的会产生量化误差，且该误差可能随着时间推移积累起来，当误差过大时，可能导致跟踪性能下降，控制系统的稳定性降低
。
因此，对量化误差的分析尤为重要
。
有关量化反馈控制及量化误差的研究已受到广泛关注
。
对于具有状态量化和输入量化的无人船舶的量化反馈航向跟踪控制，目前尚缺少理论研究结果
。

技术实现思路

[0005]根据上述提出航海实践中通讯带宽受限的问题，针对具有状态量化和输入量化的无人船舶航向跟踪控制问题，本专利技术提供一种基于高增益观测器的量化反馈航向跟踪控制方法
。
减轻信号传输负担，减少执行器执行频次，更契合航海实践中多级伺服系统的控制规律
。
设计基于高增益观测器的量化反馈跟踪控制器，以确保无人船舶跟踪期望航向，同时实现了对未知扰动及系统不确定项的估计
。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法，包括如下步骤：
[0008]包括如下步骤：
[0009]S1、
对船舶输出函数未知的二阶非线性系统的输出反馈控制问题进行数学建模；
[0010]S2、
采用对数量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化处理；
[0011]S3、
针对量化后的状态变量及控制系统中存在的不确定项，利用高增益观测器进行估计，并将估计值用于无人船舶航向跟踪控制器的设计，设计一个带有自适应滑模增益的新控制器并结合扇形约束方法来补偿量化误差的影响；
[0012]S4、
基于
Lyapunov
稳定性理论验证闭环控制系统的稳定性以及量化误差的有界性
。
[0013]进一步地，所述步骤
S1
具体包括：
[0014]对于船舶输出函数未知的二阶非线性系统的输出反馈控制问题，描述如下：
[0015][0016][0017]y
＝
x1[0018]其中，
x
＝
[x1,x2]T
，
u∈R,y∈R
分别是控制系统的状态，控制输入和系统输出，
f(x,t)
是不确定的非线性函数
。
[0019]进一步地，所述步骤
S2
具体包括：
[0020]S21、
假设存在一个已知的正整数
P
和一个未知的正常数
θ
使得：
[0021]|f(x,t)|≤
θ
(1+|y|
p
)(|x1|+|x2|)
[0022]S22、
分别采用量化密度分别为
ρ1和
ρ2的对数量化器作为量化输入
q1(u)
和量化输出
q2(y)
，其中，
u
为设计的控制输入，量化密度
ρ
∈(0,1)
的对数量化器
q(
·
)
定义如下：
[0023][0024]其中，
μ
＞0是一个比例参数；
[0025]S23、
对于对数量化器
q1(u)
和
q2(y)
，量化误差满足
[0026]|q1(u)
‑
u|≤
δ1|u|
[0027]|q2(y)
‑
y|≤
δ2|u|
[0028]其中，
[0029]S24、
对于任意的正数
κ
，存在实数
d1,d2，对称矩阵
p1,p2和列向量
a
＝
[a1,a2]T
，
k
＝
[k1,k2]T
满足：
[0030]d1＞0，
d2＞0，
P1＞0，
P2＞0[0031]‑
d1I≥(A
‑
ac
T
)
T
P1+P1(A
‑
ac
T
)
[0032]‑
2d2I≥(A
‑
bk
T
)
T
P2+P2(A
‑
bk
T
)
[0033]κ
P1≤DP1+P1D+2
κ
P1≤d2P
[0034]κ
P2≤DP2+P2D+2
κ
P2≤d2P2[0035]其中，
D
＝
diag{0,1}
，
A,b,c
分别定义为
n
＝
1,2。
[0036]进一步地，所述步骤
S3
具体包括：
[0037]S31、
使用输出量化
q2(y)
设计输出反馈控制器，如下：
[0038][0039][0040][0041]其中，是观察者状态，
T
为船舶的操纵性指数，
a
＝
[a1,a2]T
和
k
＝
[k1,k2]T
是步骤
S24
中选择的增益矩阵，初始
l(0)
＝1条件下的动态增益本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
对船舶输出函数未知的二阶非线性系统的输出反馈控制问题进行数学建模；
S2、
采用对数量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化处理；
S3、
针对量化后的状态变量及控制系统中存在的不确定项，利用高增益观测器进行估计，并将估计值用于无人船舶航向跟踪控制器的设计，设计一个带有自适应滑模增益的新控制器并结合扇形约束方法来补偿量化误差的影响；
S4、
基于
Lyapunov
稳定性理论验证闭环控制系统的稳定性以及量化误差的有界性
。2.
根据权利要求1所述的基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法，其特征在于，所述步骤
S1
具体包括：对于船舶输出函数未知的二阶非线性系统的输出反馈控制问题，描述如下：对于船舶输出函数未知的二阶非线性系统的输出反馈控制问题，描述如下：
y
＝
x1其中，
x
＝
[x1,x2]
T
，
u∈R,y∈R
分别是控制系统的状态，控制输入和系统输出，
f(x,t)
是不确定的非线性函数
。3.
根据权利要求1所述的基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法，其特征在于，所述步骤
S2
具体包括：
S21、
假设存在一个已知的正整数
P
和一个未知的正常数
θ
使得：
|f(x,t)|≤
θ
(1+|y|
p
)(|x1|+|x2|)S22、
分别采用量化密度分别为
ρ1和
ρ2的对数量化器作为量化输入
q1(u)
和量化输出
q2(y)
，其中，
u
为设计的控制输入，量化密度
ρ
∈(0,1)
的对数量化器
q(
·
)
定义如下：其中，
μ
＞0是一个比例参数；
S23、
对于对数量化器
q1(u)
和
q2(y)
，量化误差满足
|q1(u)
‑
u|≤
δ1|u||q2(y)
‑
y|≤
δ2|u|
其中，
S24、
对于任意的正数
κ
，存在实数
d1,d2，对称矩阵
p1,p2和列向量
a
＝
[a1,a2]
T
，
k
＝
[k1,k2]
T
满足：
d1＞0，
d2＞0，
P1＞0，
P2＞0‑
d1I≥(A
‑
ac
T
)
T
P1+P1(A
‑
ac
T
)
‑
2d2I≥(A
‑
bk
T
)
T
P2+P2(A
‑
bk
T
)
κ
P1≤DP1+P1D+2
κ
P1≤d2P
κ
P2≤DP2+P2D+2
κ
P2≤d2P2其中，
D
＝
diag{0,1}
，
A,b,c
分别定义为
n
＝
1,2。4.
根据权利要求1所述的基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法，其特征在于，所述步骤
S3
具体包括：
S31、
使用输出量化
q2(y)
设计输出反馈控制器，如下：设计输出反馈控制器，如下：设计输出反馈控制器，如下：其中，是观察者状态，
T
为船舶的操纵性指数，
a
＝
[a1,a2]
T
和
k
＝
[k1,k2]
T
是步骤
S24
中选择的增益矩阵，初始
l(0)
＝1条件下的动态增益
l
被更新为：其中，
a1,a2是被设计的正参数；
S32、
定义估计误差，如下：误差时间导数为：误差时间导数为：
S33、
考虑以下变化：可以转化为：
其中，且
S34、
由于步骤
S21
中的系统式和步骤
S22
闭环系统中的系统式都是连续的，并且在初始条件
l(0)
＝1的附近满足局部
Lipshitz
条件，因此，闭环系统在很小的时间区间
[0,T)
内有唯一的解决方案在不失一般性的情况下，假设解决方案扩展到最大区间
[0,T
f
)
，对于
T
f
取0＜
T
f
≤+∞。5.
根据权利要求1所述的基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法，其特征在于，所述步骤
S4
具体包括：
S41、
基于
Lyapunov
稳定性理论，验证闭环控制系统的稳定性；
S42、
证明量化误差的有界性
。6.
根据权利要求5所述的基于高增益观测器的船舶航向量化输入输出反馈控制方法，其特征在于，所述步骤
S41
具体包括：
S411、
考虑由步骤
S11
中的系统
、
步骤
S31
中的控制器与增益更新法则以及输入和输出量化器
q1(u)
和
q2(y)
组成的闭环系统，其中假定步骤
S21
中的假设成立，并选择步骤
S24
中的合适的正常数
κ
，使得2κ
p
＜1；如果量化的参数
δ1和
δ2满足：
d1/2
‑2η
||P1b||||k||
δ1‑
ηδ2||P1a||≥∈
＞
0,
其中，
η
＝
||P2a||2/d
12
+1
，
ε
表示的是一个正常数，那么所有的闭环状态在时间区间
[0,+∞)
上是有界的，并且
i
＝
1,2
；
S412、
构建李雅普诺夫函数，如下：
S413、
取滑模函数为：取滑模函数为：
S414、
根据步骤
S24
，沿步骤
S411
系统式的轨迹对
V
进行微分...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁君，黄寓旸，王二月，崔峰，林艳，李伟，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：