[发明专利]基于自适应模糊最优控制的船舶航向轨迹跟踪设计方法

说明书

本发明提供一种基于自适应模糊最优控制的船舶航向轨迹跟踪设计方法。本发明针对船舶航向非线性离散系统，运用模糊优化学习自适应算法，解决船舶航向离散非线性系统的最优控制问题，有效降低了控制器能量消耗、减少舵机磨损，提高航向跟踪速度和精度。

技术领域

本发明涉及船舶控制技术及制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于自适应模糊最优控制的船舶航向轨迹跟踪设计方法。

背景技术

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带来的问题，智能算法不断应用于船舶航向控制领域，如自适应控制，鲁棒控制，模糊自适应控制、迭代滑模控制、最少参数学习方法先后应用于船舶航向控制系统。然而，当前多数研究中船舶航向轨迹追踪设计方法存在简单，追踪速度较慢，从而导致控制器能量消耗及舵机磨损严重的问题，因此考虑船舶航向控制实际性能要求较少，使用成本较高不易于工程实现。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于自适应模糊最优控制的船舶航向轨迹跟踪设计方法。本发明主要针对船舶航向非线性离散系系统进行设计，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。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于自适应模糊最优控制的船舶航向轨迹跟踪设计方法，包括如下步骤：

S1、考虑船舶稳态回转非线性特性建立有关航向角和舵角的船舶航向离散非线性控制系统数学模型，对其离散化处理得到船舶航向离散非线性控制系统数学模型；

S2、根据船舶航向离散非线性控制系统数学模型的输出与预设的第一时刻的参考轨迹点相比对得到船舶航向轨迹跟踪误差，通过所述船舶航向轨迹跟踪误差与预设的下一时刻的参考轨迹相结合确定用于控制并镇定所述船舶航向离散非线性控制系统的镇定函数；

S3、根据预设的阈值评判所述船舶航向轨迹跟踪误差值从而确定设计性能指标，根据所述设计性能指标确定效用函数，利用模糊逻辑系统的万能逼近原理求解所述效用函数，根据最优贝尔曼控制原理求解所述设计性能指标和效用函数的关系从而得到评价误差，根据梯度下降规则求解关于所述评价误差的目标函数，求得最优评价信号指标；

S4、根据所述最优评价信号指标计算船舶航向离散非线性系统的自适应模糊更新率，从而得到带有评价信号的船舶航向非线性系统系统的实际控制器。

进一步地，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11、考虑船舶稳态回转非线性特性，建立船舶航向非线性系统数学模型为：

式中，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；

S12、定义状态变量x₁＝φ，u＝δ，将式(1)经离散化，得到船舶航向离散非线性控制系统数学模型：

式(2)中，x_i,i＝1,2为系统的状态，u(k)系统的输入，y_k为系统的输出，f₂(x₂(k))为未知的不确定函数，p＝K/T为控制增益。

进一步地，所述步骤S2具体包括如下步骤：

S21、定义船舶航向轨迹跟踪误差为e₁(k)＝x₁(k)-y_d(k)，y_d(k)为光滑有界的参考轨迹，根据船舶航向轨迹跟踪误差可得：