CN108664023A - 基于双变量s函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法 - Google Patents

基于双变量s函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法 Download PDF

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张雨浓
肖梦玲
郭津津
薛忠贤
毛明志
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Sun Yat Sen University
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Sun Yat Sen University
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles

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Abstract

本发明公开了基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，包括以下步骤：1)得出船舶航行数学模型，建立其运动方程，并采集相关参数；2)根据步骤1)中的运动方程，结合张动力学方法，得出船舶航向跟踪控制器，实现对船舶航向的跟踪控制；3)在步骤2)的基础上引入双变量S函数，结合梯度动力学方法实现输入量可限的船舶航向跟踪控制。本发明提供了一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，在实现对船舶航向跟踪控制的同时达到输入量可限的目的。

Description

基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及船舶航向控制领域，更具体地，涉及一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法。
背景技术
船舶作为一种重要的交通工具，在航行的过程中会受到很多外界因素，比如风、浪、流等的影响，易逐渐偏离预定的航行轨迹，因此，船舶的航向控制，作为一个复杂的问题，直接影响到船舶的操纵性能，是船舶操纵运动控制领域以及海洋工程领域重要的问题。随着船舶向着大型化、高速化和自动化方向发展，对于船舶的操纵性能的要求也越来越高，为了提高船舶航行的精确性、安全性和经济性，研究人员提出了多种先进的船舶运动控制策略。
以往的研究多涉及对船舶航向的跟踪控制，但是没有考虑到现实情况下的物理约束问题。由于在实际应用中，执行器受到物理限制会产生输入饱和现象，而输入饱和现象会引起输出误差增大，控制器跟踪性能下降等问题。因此，在实现船舶航向跟踪控制的同时将输入量控制在可限范围内对于船舶操纵运动控制是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是解决上述一个或多个缺陷，提出一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，包括如下步骤：
S1.得出船舶航行数学模型，建立其运动方程，并采集相关参数；
S2.根据步骤S1中的运动方程，结合张动力学方法，得出船舶航向跟踪控制器，实现对船舶航向的跟踪控制；
S3.由于在实际应用中，执行器受到物理限制会产生输入饱和现象，而输入饱和现象会引起输出误差增大，控制器跟踪性能下降等问题。因此，在步骤S2的基础上引入双变量S函数，结合梯度动力学方法，实现输入量可限的船舶航向跟踪控制。
更进一步，步骤S1得出船舶航行的数学模型，建立其运动方程：
其中，为船舶航向角，r为偏航率，δ为船舶舵角，y(即船舶航向角)为船舶航向控制系统的输出，上述变量中均省略了作为自变量的时间变量t；采集船舶相关参数：时间常数T、方向舵增益K、Norrbin系数η用于确定f。
步骤S2中，结合张动力学，得出船舶航向跟踪控制器：使得实际的输出y(即实际航向角)成功跟踪理想的输出yd(即理想航向角)，实现对船舶航向的跟踪控制，其中，yd表示理想的输出(即理想航向角)。
进一步地，基于步骤S3，引入了双变量S函数，其表达式为
其中，v和μ为S函数的两个输入变量，α为S函数的幅值参数。令步骤S2中采用张动力学后得到的跟踪控制器进一步地，结合梯度动力学方法，可得到双变量的输入量可限的船舶航向跟踪控制器组如下：
其中，为能量函数，γ为梯度动力学的设计参数，θ0为控制系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于采用张动力学方法成功实现对船舶航向的跟踪控制，同时，通过引入双变量S函数并结合梯度动力学方法，实现输入量可限的船舶航向跟踪控制，以达到解决实际中输入量饱和问题的目的。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为船舶航行简化模型的示意图；
图3为无S函数的张动力学方法处理的船舶航向跟踪控制的船舶航向y的跟踪示意图；
图4为无S函数的张动力学方法处理的船舶航向跟踪控制的误差|e|的示意图；
图5为无S函数的张动力学方法处理的船舶航向跟踪控制的输入量δ的示意图；
图6为本发明方法处理的输入量可限的船舶航向跟踪控制的船舶航向y的跟踪示意图；
图7为本发明方法处理的输入量可限的船舶航向跟踪控制的误差|e|的示意图；
图8为本发明方法处理的输入量可限的船舶航向跟踪控制的输入量δ的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1，一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，包括如下步骤：
S1.得出船舶航行数学模型，建立其运动方程，并采集相关参数；
S2.根据步骤S1中的运动方程，结合张动力学方法，得出船舶航向跟踪控制器，实现对船舶航向的跟踪控制；
S3.由于在实际应用中，执行器受到物理限制会产生输入饱和现象，而输入饱和现象会引起输出误差增大，控制器跟踪性能下降等问题。因此，在步骤S2的基础上引入双变量S函数，结合梯度动力学方法，实现输入量可限的船舶航向跟踪控制。
图2为船舶航行简化模型。建立其运动方程：
结合张动力学方法，得出无S函数的船舶航向跟踪控制器：与本发明方法处理的船舶航向跟踪控制器进行比较。
本发明为了实现输入量的约束，引入双变量S函数，其表达式为
其中，v和μ为S函数的两个输入变量，α为S函数的幅值参数。令步骤S2中采用张动力学后得到的跟踪控制器进一步地，结合梯度动力学方法，可得到双变量的输入量可限的船舶航向跟踪控制器组如下：
其中，为能量函数，γ为梯度动力学的设计参数，θ0为控制系数。
进行计算机仿真时，采集相关参数如下：时间常数T＝0.2，方向舵增益K＝2，Norrbin系数η＝1，执行时间设定为30秒，张动力学设计参数λ＝5。图3、图4和图5分别对应为无S函数的张动力学方法处理的船舶航向跟踪控制的船舶航向y的跟踪示意图、误差|e|的示意图以及输入量δ的示意图。从这些仿真图中看出，实际的船舶航向角y能够成功跟踪理想的航向角yd，说明采用无S函数的张动力学方法可以实现对船舶航向的跟踪控制。
在采集的参数以及张动力学设计参数不变的情况下，双变量S函数的其中一个输入变量μ的初始值设定为一个随机数，幅值参数α设定为12，梯度动力学设计参数γ＝105。图6、图7和图8分别对应为本发明方法处理的输入量可限的船舶航向跟踪控制的船舶航向y的跟踪示意图、误差|e|的示意图以及输入量δ的示意图。由图6可以看出实际的船舶航向角y能够成功跟踪理想的航向角yd，实现了船舶航向跟踪控制的目的；对比图4和图7可看出，采用本发明方法时误差由10-3降至10-4，船舶航向控制的精度得到了提高；同时，对比图8和图5可以清晰地看到，图8采用本发明方法处理时输入量的范围得到了明显的控制，即控制在了幅值范围(-12,12)之间，说明本发明方法确实有效地在实现船舶航向跟踪控制的同时实现了输入量可限的船舶航向跟踪控制，达到了解决实际中输入量饱和问题的目的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：得出船舶航行数学模型，建立起运动方程，并采集相关参数；
S2：根据步骤S1中的运动方程，结合张动力学方法，得出船舶航向跟踪控制器，实现对船舶航向的跟踪控制；
S3：在步骤S2的基础上引入双变量S函数，结合梯度动力学方法，实现输入量可限的船舶航向跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，其特征在于，步骤S1得出的船舶航向的数学模型，其运动方程如下：
其中，为船舶航向角，r为偏航率，δ为船舶舵角，y(即船舶航向角)为船舶航向控制系统的输出，上述变量中均省略了作为自变量的时间变量t；采集船舶相关参数：时间常数T、方向舵增益K、Norrbin系数η用于确定f。
3.根据权利要求2所述的基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，其特征在于，步骤S2中结合张动力学，得出船舶航向跟踪控制器：使得实际的输出y(即实际航向角)成功跟踪理想的输出yd(即理想航向角)，实现对船舶航向的跟踪控制，其中，yd表示理想的输出(即理想航向角)。
4.根据权利要求3所述的基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，其特征在于，步骤S3中引入了双变量S函数。其表达式为
其中，v和μ为S函数的两个输入变量，α为S函数的幅值参数。令步骤S2中采用张动力学后得到的跟踪控制器进一步地，结合梯度动力学方法，可得到双变量的输入量可限的船舶航向跟踪控制器组如下：
其中，为能量函数，γ为梯度动力学的设计参数，θ0为控制系数。
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