[发明专利]一种具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法

权利要求书

1.一种具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

构建船舶的Nomoto非线性模型和舵机故障模型；

根据所述船舶的Nomoto非线性模型定义航向误差，采用动态面控制技术设计虚拟控制器以镇定航向误差；

引入径向基神经网络以处理所述非线性模型中的不确定项；

根据所述舵机故障模型，并结合最小参数化方法对所述径向基神经网络权值横向压缩；

通过引入自适应参数设计自适应律，在线补偿偏置故障、失效故障引起的控制精度影响，并将所述自适应律输入船舶航向保持控制器，以镇定转艏角速度误差。

2.根据权利要求1所述的具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，其特征在于，所述构建船舶的Nomoto非线性模型，包括：

船舶的Nomoto非线性模型如式(1)所示。

式中，ψ为航向角；为非线性模型项；δ为舵角命令；Δ为外界干扰，T，K为船舶的操纵指数，α₁,α₂为关于转艏速率的比例系数；舵角δ满足δ∈[-35°,35°]。

3.根据权利要求2所述的具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，其特征在于，所述构建船舶的Nomoto非线性模型，还包括：

为了方便控制器设计，将式(1)转换为状态空间的形式：

式中，b＝K/T为未知增益，为非线性阻尼项，d_wr＝Δ/T为未知海洋环境干扰。

4.根据权利要求3所述的具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，其特征在于，所述舵机故障模型表示为：

式中，δ_o为控制命令输入，0＜k_o＜1和为未知故障参数，分别表示为舵机故障的开始时刻和终止时刻。

5.根据权利要求4所述的具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，其特征在于，根据所述船舶的Nomoto非线性模型定义航向误差，采用动态面控制技术设计虚拟控制器以镇定航向误差，包括：

假设船舶期望航向为ψ_d，且存在二阶可导，定义航向误差ψ_e＝ψ-ψ_d，并对其求导得到式(4)：

为了镇定航向误差，针对r设计虚拟控制器，如式(5)所示：

式中，k₁＞0为人为设定的控制参数；

为了避免对虚拟控制律α_r求时间微分导数造成的计算负载问题，采用式(6)所示的动态面技术，即：

式中，β_r为一阶低通滤波器，τ_r为时间常数；

虚拟控制器α_r与r之间存在误差r_e，r_e＝α_r-r，得到误差r_e的导数表示为：

定义动态面误差为y_r＝β_r-α_r，则时间导数表示为：

其中，B_r(·)为具有未知上界的连续函数。

6.根据权利要求5所述的具有舵机容错性能的船舶航向保持控制方法，其特征在于，所述引入径向基神经网络以处理所述非线性模型中的不确定项，包括：

定义转艏角速度误差变量为r_e＝β_r-r，结合式(2)对误差变量求时间导数可得式(9)为：

式中，非线性项f(r)＝S(r)Ar+ε(r)＝S(r)Aβ_r-b_rS(r)w_r+ε(r)，且有，b_r＝||A_r||，因此，b_rw_r＝A_rr_e。