[发明专利]一种抗舵机饱和的船舶航向自适应控制方法

摘要

本发明的目的在于提供一种抗舵机饱和的船舶航向自适应控制方法，包括以下步骤：对船舶航向运动进行数学描述，构造动态抗饱和补偿器，构造自适应backstepping控制器的第一状态向量z1，并构造z1的Lyapunov函数，进而取得虚拟控制；结合船舶航向角信息、航向角速度及动态抗饱和补偿器模块输出的补偿状态，求差计算出自适应backstepping控制器的第二状态向量z2，构造控制方法中总的Lyapunov函数，结合船舶航向稳定条件，获得带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制器，完成带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制方法。本发明思路明确、结构清晰合理、易于工程实现。

主权项

1.一种抗舵机饱和的船舶航向自适应控制方法，其特征是：（1）对带有舵机饱和特征的船舶航向信息进行数字采集，对所述船舶航向信息进行求导、转置及乘积运算，计算构成如下：ψ·=rr·=φT(r)θ+bδ(δc)]]>其中r为航向角速度，ψ为航向角，θ＝(θ₁  θ₂)^T，φ(r)＝(r  r³)^T，δ＝δ(δ_c)，δ_c为指令舵角，δ为实际舵角，θ为未知常数矩阵，θ₁、θ₂为矩阵列向量，b为符号已知的未知常数；（2）引入一个动态抗饱和补偿器，使得系统存在执行器饱和时，航向输出ψ跟踪期望航向ψ_d，动态抗饱和补偿器模块接收期望舵角与实际舵角的差值，即加法器的输出结果：动态抗饱和补偿器的构造方法为：χ·1=-d1χ1+χ2χ·2=-d2χ2+b^Δδ]]>其中χ₁、χ₂为补偿器状态，Δδ为舵角偏差，Δδ＝δ_c-δ，d₁、d₂＞0为补偿器设计常数，为b的估计值；（3）将船舶输出航向角、船舶期望航向角与动态补偿器模块输出的补偿状态作减法运算，计算出自适应backstepping控制方法的第一状态向量z₁：构造出backstepping控制器的第一状态向量z₁和第二状态向量z₂，为z1=ψ-ψd-χ1z2=r-ψ·d-α1-χ2]]>其中α₁为待定的虚拟镇定函数，其中z₀为积分状态向量，则z₁为z·1=ψ·-ψ·d-χ·1]]>=z2+α1+d1χ1]]>构造关于z₁的Lyapunov函数V₁，并求导，获得虚拟控制的形式为α₁=-c₁z₁-d₁χ₁,其中c₁为常数，且c₁＞0；（4）根据步骤（3）获得的虚拟控制律，结合船舶航向角信息、航向角速度及动态抗饱和补偿器模块输出的补偿状态，求差计算出自适应backstepping控制器的第二状态向量z₂，构造总的Lyapunov函数，获得带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制器，完成带有抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制：根据得到的虚拟控制，第二状态向量构成为z·2=r·-ψ··d-α·1-χ·2]]>=φT(r)θ+b^δc-ψ··d-α·1+d2χ2+b~δ(δc)]]>其中为θ的估计值，为θ的估计误差，β＝1/b，为β的估计值，为β的估计误差，为b的估计误差，构造关于z₀、z₁、z₂和总的Lyapunov函数为V=V1+12z22+c02z02+12θ~TΓ-1θ~+12|b|γβ~2]]>式中c₀＞0为可设计参数，Γ＝diag{γ₁,γ₂}＞0为自适应增益矩阵，γ₁和γ₂为矩阵列向量，γ为常数，且γ＞0，为给定可调参数；对Lyapunov函数求导运算，使满足的稳定条件，获得抗饱和补偿器的船舶航向非线性自适应控制器该自适应控制器工作时，接收设定的期望航向角指令、船舶实际航向角及动态抗饱和补偿器模块输出的补偿状态，计算出指令舵角，将指令舵角转化为实际舵角，通过实际舵角，输出船舶的航向角，船舶的航向角反馈回自适应backstepping控制器，形成闭环系统，实现抗舵机饱和船舶航向自适应控制。