[发明专利]一种基于预设性能的多水面船分布式编队的鲁棒控制方法

权利要求书

1.一种基于预设性能的多水面船分布式编队的鲁棒控制方法，其特征在于，包括：

S1：建立船舶编队系统中船舶的运动学模型和船舶的动力学模型，以获取船舶编队系统的总扰动和船舶速度值；

S2：建立三阶非线性状态扩张状态观测器，以对所述船舶编队系统中船舶的运动学模型和船舶的动力学模型中的船舶编队系统的总扰动和速度值扰动项进行观测和补偿；

S3：建立基于有限时间控制方法的预设性能函数，以对船舶编队系统的编队误差进行约束；

S4：基于所述三阶非线性状态扩张状态观测器和预设性能函数，设计船舶编队系统的鲁棒控制律，以对所述船舶编队系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于预设性能的多水面船分布式编队的鲁棒控制方法，其特征在于，所述S1中，

所述船舶的运动学模型为：

式中，η_i＝[x_i,y_i,ψ_i]^T是第i艘船舶的位置矢量，表示第i艘船舶的位置矢量η_i的导数，(x_i,y_i)是第i艘船舶的位置，ψ_i是第i艘船舶的航向角，μ_i＝[u_i,v_i,r_i]^T是第i艘船舶的速度矢量，(u_i,v_i)是第i艘船舶的线速度，r_i是第i艘船舶的角速度；

所述船舶的动力学模型为

式中：R_i是用于描述第i艘船舶的船体坐标系到大地坐标系转换的矩阵，τ_i＝[τ_ui τ_viτ_ri]^T是第i艘船舶的控制输入矢量；i＝1,2...n是用于编队的船舶数量；W_i是船舶编队系统的总扰动；

其中：

且：

R_i^-1(ψ_i)＝R_i^T(ψ_i) (4)

式中，S(r_i)是反对称矩阵：

M＝M_RB+M_A是由船舶刚体惯性矩阵和水动力附加质量矩阵共同组成的系统惯性矩阵，其中，代表船舶刚体惯性矩阵，表示水动力附加质量矩阵；

式中，m是船舶质量，x_g表示船体坐标系下的坐标原点到重心的纵向距离，I_z为船体坐标系下船舶绕OZ轴转动的转动惯量，是纵向加速度产生的纵向附加质量系数，是横向加速度产生的横向附加质量系数，是艏向角加速度产生的横向附加质量系数，是艏向角加速度产生的艏向附加质量系数；

W_i＝R_iM^-1(τ_wi-g_i(v_i))+S(r_i)μ_i-R_iM^-1(C(v_i)+D(v_i))R_i^Tμ_i (9)

式中，τ_wi＝[τ_uwi τ_vwi τ_rwi]^T表示由海洋环境风、浪、流引起的外界干扰力矢量，τ_uwi是外界干扰力在船体坐标系中纵向上的分量，τ_vwi是外界干扰力在船体坐标系中横向上的分量，τ_rwi是外界干扰力在船体坐标系中艏向上的分量，g_i(v_i)＝[g_ui g_vi g_ri]^T是未建模动态，g_ui是未建模动态在船体坐标系中纵向上的分量，g_vig_ri是未建模动态在船体坐标系中横向上的分量，g_ri是未建模动态在船体坐标系中艏向上的分量，C(v_i)是作用于船舶的科里奥利向心力矩阵，D(v_i)是水动力阻尼矩阵，W_i是船舶编队系统的总扰动。