CN110244556B - 基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法，从为方便控制设计进行简化数学模型描述开始，利用漂角对期望航向进行重新定义，修正欠驱动船舶动力学模型。针对存在于艏摇方向的干扰，利用非线性干扰观测器对其进行估计处理，为保证跟踪性能基于反步法设计航向控制器，并与观测器结合构成完整控制系统，控制算法可改善欠驱动船舶航向运动的控制性能，有效减少航向误差。

Description

基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法

技术领域

涉及船舶航向控制领域，具体涉及一种基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法。

背景技术

作为船舶控制领域中最基本的船舶航向控制问题，很多应用于此的控制技术取得了一定的进展得到了认可，但仍然存在不可忽视的局限性。传统船舶通常是只在横荡和艏摇方向上运动的欠驱动控制系统，船舶运动具有大惯性、大时滞等非线性特点，且航行时不可避免的会受到风、浪、流等外部干扰的影响。船舶运动复杂性及其所受难以预测的随机环境影响都是船舶控制需解决的难题，所以如何安全合理地进行船舶航向控制是船舶控制领域中最重要的问题之一。

国内外学者进行船舶航向控制设计时一般是选择所需路径的切线方向作为期望航向，就像车辆转弯时速度较快会发生漂移，同样在航向控制中漂角实际上是存在的，但通常在研究中会被忽略。由于漂角不为零，船舶的实际速度方向与路径跟踪中的航向并不是一致的，相差一个漂角，可以推断出船舶真正的运动方向和原选定切线方向之间也相差了一个漂角，如果不加以修正，任其以传统定义的期望航向继续航行，将导致航向的偏离。

发明内容

本发明提出了一种基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法，从为方便控制设计进行简化数学模型描述开始，计算出漂角后对期望航向进行重新定义，修正欠驱动船舶动力学模型。针对存在于艏摇方向的干扰，利用非线性干扰观测器对其进行估计处理，为保证跟踪性能基于反步法设计航向控制器，并与观测器结合构成完整控制系统，控制算法可改善欠驱动船舶航向运动的控制性能，有效减少航向误差。

主要包括以下步骤：

步骤1、建立2自由度欠驱动船舶数学模型；

欠驱动船舶动力学模型简化为在横荡和艏摇方向上的两自由度运动，可归结如下：

其中r是欠驱动船舶艏摇角频率，船舶纵荡速度和横荡速度分别由u和v表示，ψ和ψ_d分别表示船舶实际航向角(艏摇角)和传统定义下的期望路径切线方向(传统意义期望航向角)。参数m_i表示船舶系统惯性(包括附加质量)，d_i是艏摇、纵荡和横荡中的水动力阻尼，i分别为11、22和33，τ_r是唯一的控制输入量，即艏摇力矩。ω_r和ω_v为艏摇和横荡方向上有未知界的环境干扰。

步骤2、下达期望航向指令，即设定航向角ψ_d；

步骤3、根据船舶当前船舶运动状态信息，计算实时漂角β，并对传统意义下期望航向角ψ_d进行修正；

假设船舶的相对线速度可用，则不需要借助全球定位系统设备，根据下式可得到船舶的实际漂角β：

为有效处理船舶实际运动时不为零的漂角，重新定义期望航向即

ψ_da＝ψ_d-β (3)

步骤4、非线性扰动观测器对艏摇方向上不可预测的干扰ω_r进行估值处理；

定义

ω_r＝bξ (5)

其中，ξ是辅助变量，设计参数a、b为常数；

非线性扰动观测器为

其中z是辅助变量，

是扰动ω_r的估计值，l(r)为常数是非线性干扰观测器的增益，p(r)是非线性函数，与l(r)存在以下关系：

步骤5、反步控制器根据修正期望航向角ψ_da、船舶运动状态值(ψ、r、v)及外部干扰估计值

的实时值，计算出船舶的艏摇力矩，即控制输入τ_r；

引入新变量进行坐标变换

其中z₁、z₂为辅助变量，

表示为消除常值稳态偏移的待定虚拟镇定函数，设计参数k₁为正常数。

引入滑模面

其中设计参数c、k₂均为正常数。

艏摇方向上海浪扰动ω_r的估计值

有界，假设

设计自适应控制率如下：

根据式(1)所示的欠驱动船舶模型，结合非线性观测器，设计控制律为：

设计参数k₃为正常数，定义正常数k₄及边界层Δ，饱和函数sat(s)为：

步骤6、系统接收并执行控制输入指令τ_r，更新船舶当前航向值ψ及其他船舶运动状态量(艏摇r、横荡v)，并转到步骤3；

本方法具有如下效果和优点：

通过期望航向角的重新定义，基于反步法设计出航向控制器，有效补偿了实际问题中非零漂角对航向的影响，在较短的时间内使系统达到稳定并减小航向角误差，避免船舶偏离航线；利用非线性干扰观测器良好的跟踪性能，实现了对艏摇方向存在的扰动的精确估计，且观测器设计简单、参数少，易于工程应用；基于期望航向的模型修正和基于非线性扰动观测器的算法改进都能有效改善欠驱动船舶航向控制效果。

附图说明

图1为船舶传统定义期望航向示意图

图2为本发明提出的利用漂角进行期望航向修正示意图

具体实施方式

本发明提出了一种基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法，从为方便控制设计进行简化数学模型描述开始，计算出漂角后对期望航向进行重新定义，修正欠驱动船舶动力学模型。针对存在于艏摇方向的干扰，利用非线性干扰观测器对其进行估计处理，为保证跟踪性能基于反步法设计航向控制器，并与观测器结合构成完整控制系统。包括以下步骤：

步骤1、建立2自由度欠驱动船舶数学模型；

假设垂荡、横摇、纵摇运动可忽略不计，欠驱动船舶动力学模型可以简化为在横荡和艏摇方向上的两自由度运动，数学模型(船体坐标系下)可归结如下：

其中r是欠驱动船舶艏摇角频率，船舶纵荡速度和横荡速度分别由u和v表示，u为一个常数，由独立控制系统控制，v被动有界，且与船舶控制中其他运动变量相比较小。ψ和ψ_d分别表示船舶实际航向角(艏摇角)和传统定义下的期望路径切线方向(传统意义期望航向角)，如图1所示。参数m_i表示船舶系统惯性(包括附加质量)，d_i是艏摇、纵荡和横荡中的水动力阻尼，i分别为11、22和33，τ_r是唯一的控制输入量，即艏摇力矩。ω_r和ω_v为艏摇和横荡方向上有未知界的环境干扰。

步骤2、下达期望航向指令，即设定航向角ψ_d；

步骤3、根据船舶当前船舶运动状态信息，计算实时漂角β，并对传统意义下期望航向角ψ_d进行修正；

进行船舶航向控制设计时一般是选择所需路径的切线方向作为期望航向，如图1所示，就像车辆转弯时速度较快会发生漂移，同样在航向控制中漂角实际上是存在的，但通常在研究中会被忽略。由于漂角不为零，船舶的实际速度方向与路径跟踪中的航向并不是一致的，相差一个漂角，可以推断出船舶真正的运动方向和原选定切线方向之间也相差了一个漂角，如图2所示，如果任其以传统定义的期望航向继续航行，将导致航向的偏离。

假设船舶的相对线速度可用，则不需要借助全球定位系统设备，利用已知海流速度，根据下式可得到船舶的实际漂角β：

为有效处理船舶实际运动时不为零的漂角，重新定义期望航向，如图2所示，即

ψ_da＝ψ_d-β (3)

步骤4、非线性扰动观测器对艏摇方向上不可预测的干扰ω_r进行估值处理；

定义

ω_r＝bξ (5)

其中，ξ是辅助变量，设计参数a、b为常数；

非线性扰动观测器为

其中z是辅助变量，

是扰动ω_r的估计值，l(r)为常数是非线性干扰观测器的增益，p(r)是非线性函数，与l(r)存在以下关系：

步骤5、反步控制器根据修正期望航向角ψ_da、船舶运动状态值(ψ、r、v)及外部干扰估计值

的实时值，计算出船舶的艏摇力矩，即控制输入τ_r；

引入新变量进行坐标变换

其中z₁、z₂为辅助变量，

表示为消除常值稳态偏移的待定虚拟镇定函数，设计参数k₁为正常数。

引入滑模面

其中设计参数c、k₂均为正常数。

艏摇方向上扰动ω_r的估计值

有界，假设

设计自适应控制率如下：

根据式(1)所示的欠驱动船舶模型，结合非线性观测器，设计控制律为：

设计参数k₃为正常数，定义正常数k₄及边界层Δ，饱和函数sat(s)为：

步骤6、系统接收并执行控制输入指令τ_r，更新船舶当前航向值ψ及其他船舶运动状态量(艏摇r、横荡v)，并转到步骤3。

Claims (1)

1.一种基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法，其特征在于：

步骤1、建立2自由度欠驱动船舶航向系统模型；

欠驱动船舶动力学模型如下所示：

其中r是欠驱动船舶艏摇角频率，纵荡速度u为常数，横荡速度v被动有界，且与船舶控制中其他运动变量相比较小；ψ和ψ_d分别表示船舶实际航向角，即艏摇角和传统定义下的期望路径切线方向，即传统意义期望航向角；参数m_i表示包括附加质量的船舶系统惯性，d_i是艏摇、纵荡和横荡中的水动力阻尼，i分别为11、22和33，τ_r是唯一的控制输入量，即艏摇力矩，ω_r和ω_v为艏摇和横荡方向上有未知界的环境干扰；

步骤2、下达期望航向指令，即设定航向角ψ_d；

步骤3、计算实时漂角β，并对传统意义下期望航向角ψ_d进行修正；

重新定义期望航向，即

ψ_da＝ψ_d-β (3)

步骤4、非线性扰动观测器对艏摇方向上不可预测的干扰ω_r进行估值处理；

定义

ω_r＝bξ (5)

其中，ξ是辅助变量，设计参数a、b为常数；

非线性扰动观测器为

其中z是辅助变量，

是扰动ω_r的估计值，l(r)为常数是非线性干扰观测器的增益，p(r)是非线性函数，与l(r)存在以下关系：

步骤5、反步控制器根据修正期望航向角ψ_da、船舶运动状态值ψ、r、v及外部干扰估计值

的实时值，计算出船舶的艏摇力矩，即控制输入τ_r；

引入新变量进行坐标变换

其中z₁、z₂为辅助变量，

表示为消除常值稳态偏移的待定虚拟镇定函数，设计参数k₁为正常数；

引入滑模面

其中设计参数c、k₂均为正常数；

艏摇方向上扰动ω_r的估计值

有界，假设

设计自适应控制率如下：

设计控制律为：

设计参数k₃为正常数，定义正常数k₄及边界层Δ，饱和函数sat(s)为：

步骤6、系统接收并执行控制输入指令τ_r，更新船舶当前航向值ψ及其他船舶运动状态量，即艏摇r、横荡v，并转到步骤3。

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