[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

说明书

本发明公开了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，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；S2：建立三阶非线性状态扩张状态观测器；S3：建立基于有限时间控制方法的预设性能函数；S4：设计船舶编队系统的鲁棒控制律。本发明能够使系统能够在复杂海况的环境下保持良好的性能，摆脱了传统控制方法依赖于精确数学模型的局限性。同时本发明结合有限时间控制方法的特性设计一种新型的预设性能函数以约束系统误差，通过改变收敛时间的值可以减少船舶队形形成的时间，在一定程度上提高了系统的工作效率和动态性能。

技术领域

本发明涉及多水面船编队协同控制领域，尤其涉及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。

背景技术

随着现代社会的高速发展，多水面船系统编队控制在军事、商业等多个领域展现了广阔的应用前景，逐渐成为了自动控制领域的研究热点。多船的编队控制系统主要有三种：分散式、集中式和分布式。分散式控制系统指每艘船体都能独立运算和做出控制。而集中式控制有着较成熟的理论，但是该控制系统灵活性差，尤其是当存在大量船舶时，总控制器运算负荷重，所以难以实现精确控制。分布式控制系统指系统中各艘船都能独立的根据系统的目标、状态以及自身的状态、能力、资源规划出各自的控制协议，并且通过通信手段实现各船之间的联系和协作，让整个多船系统能够完成预期的任务。

通过观察，发现多船编队控制方法存在以下几个方面的不足：国内外大多数学者主要把精力放在研究非线性控制的稳态性能上，希望在系统稳态时尽可能的减小系统的稳态误差，而对系统的瞬态性能却不怎么关注。系统的动态性能不理想，控制精度不高；并且现有的控制方法大多基于精确的数学模型来进行设计，而在复杂海域环境下的实际水面船系统必然存在模型不确定性和时变的海况干扰，因此设计系统时若不考虑这些不确定性，将会降低系统性能。

发明内容

本发明提供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，以克服上述技术问题。

本发明的技术方案如下：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，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。

进一步的，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