[发明专利]一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法

说明书

本发明公开了一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，所述方法至少包括：步骤1：建立漂角补偿的水面船舶航向控制状态空间非线性模型；步骤2：获取光滑的指令航向角及其导数；步骤3：获取航向角误差信号；步骤4：基于Nussbaum增益方法和自适应控制方法设计航向控制规律；步骤5：判断航向控制效果是否满意，如果“是”则结束控制，如果“否”则更新状态返回步骤3重新计算航向控制信号。

技术领域

本发明涉及船舶运动控制领域，特别是涉及一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法。

技术背景

船舶在海上航行不可避免产生六自由度摇摆运动，艏摇运动决定船舶航向保持精度，航向是船舶导航和控制工程中的重要问题。为保证舰船顺利抵达目的地，以自动舵为执行机构的航向控制系统是水面常规舰船所必须安装的。水面船舶的航向控制包括航向保持控制和转向控制，水平面坐标系下的船舶艏摇运动如图1所示。船舶操舵运动首先使船艏产生一个小的横向漂角β(通常小于5°)改变船体两侧流体分布状态，进而由船体两侧的水动力作用实现船体的转向运动。目前的船舶航向控制算法基本是忽略此漂角作用，采用航向偏差为ψ_e＝ψ-ψ_d的形式，但是该漂角的存在会增加航向超调降低航向控制精度，因此需要进行补偿。另一方面，目前应用最多的航向控制模型为一阶线性Nomoto模型，该模型适合航向保持控制，但是对于转向控制需要考虑高阶非线性条件。同时，船体受海浪的时变扰动作用，必然存在模型动态不确定(未建模动态)和参数时变等问题，这些问题均需要非线性控制方法去解决。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，解决船舶航向控制中的漂角补偿，模型动态不确定和参数时变问题。

本发明的技术提供的解决方案是：一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，具体步骤包括：

步骤1：基于一阶漂角模型和二阶非线性Nomoto模型，建立漂角补偿的水面船舶航向控制状态空间非线性模型；

步骤1中的水面船舶航向控制状态空间非线性模型由如下公式表示：

其中：系统状态定义为，x₁＝ψ表示航向角，x₂＝β代表漂角，代表航向角速度，代表航向角加速度。Δ_β为漂角模型不确定，f(x)为系统未建模动态(动态不确定)，w为外部时变扰动，g(t)为时变控制系数，u为系统控制信号，c₁和c₂为正常数的漂角模型参数标称值。

步骤2：利用指令航向角ψ_r通过前置滤波器获取光滑的指令航向角ψ_d及其导数

步骤2中的前置滤波器采用如下公式计算：

其中：ξ为滤波器阻尼，ω是滤波器频率，ψ_r是目标航向角。

步骤3：根据步骤1和步骤2采集指令航向角ψ_d，航向角ψ和漂角β信号并获取航向角误差信号ψ_e(t)＝ψ-ψ_d+β；

步骤4：基于Nussbaum增益方法和自适应控制方法设计航向控制规律，航向控制信号u(t)通过舵机伺服系统驱动转舵最终实现航向控制；

步骤4中的航向控制信号由如下公式表示：