CN112558481B - 船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法及相关装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法及相关装置，方法包括：S1、接收目标航向角度指令信号以及实际航向角度信号；S2、通过Smith预估器根据标称模型参数计算出预估航向角度信号；S3计算目标航向角度指令信号与观测航向角度信号的角度误差，观测航向角度信号为预估航向角度的观测信号；S4、根据角度误差由内模控制器计算初始控制量，根据初始控制量和观测总扰动量计算总控制量；S5、将总控制量输入至船舶操纵系统中计算推力以调节实际航向角度后，判断航向角度是否等于所述目标航向角度，若是停止计算，否则返回S2重新计算，直到到达目标航向角度，从而解决了现有的预估自抗扰控制方法的控制精度不理想的技术问题。

Description

船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法及相关装置

技术领域

本申请涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法及相关装置。

背景技术

船舶操纵系统的航向角度控制回路具有严重的时滞现象，传统的PID控制难以保证闭环系统的稳定性。自抗扰控制作为一种新型的控制策略，其思想是通过对被控系统受到的各种扰动进行实时估计和补偿，将被控对象模型改造成积分串联型，从而简化控制器设计。

但是将传统自抗扰控制方法用于船舶操纵系统的航向角度控制时，由于反馈回路存在信号不匹配问题，将严重影响了自抗扰的控制性能。后来有学者提出一种预估自抗扰控制(PADRC)方法，该方法将自抗扰控制器与Smith预估器相结合，虽然能够解决反馈回路的不匹配问题，但是该方法由于没有充分利用已知的标称模型参数信息，限制了自抗扰控制性能的进一步发挥，导致控制精度仍然不理想。

发明内容

本申请实施例提供了一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法及相关装置，用于解决现有的预估自抗扰控制方法的控制精度不理想的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法，所述方法包括：

S1、获取由舰向传感器发送的实际航向角度信号，以及由船舶操作系统发送的总控制信号，并接收目标航向角度的指令信号；

S2、基于预估航向角度信号计算公式，通过Smith预估器根据所述总控制信号、所述实际航向角度信号和标称模型参数进行计算，得到预估航向角度信号；

S3、计算所述目标航向角度的指令信号和观测航向角度信号的角度误差，所述观测航向角度信号为所述预估航向角度信号的观测信号，所述观测信号由状态观测器生成；

S4、基于初始量控制量计算公式，通过内模控制器根据所述角度误差计算得到初始控制量，根据所述初始控制量和观测总扰动量计算得到总控制量，所述观测总扰动量由所述状态观测器生成；

S5、将所述总控制量输入到所述船舶操作系统得到推力值，并根据所述推力值调整航向角度后，判断所述航向角度是否等于所述目标航向角度，若是停止计算，否则，返回步骤S2。

可选地，所述观测信号由状态观测器生成，具体包括：

基于观测航向角度信号计算公式，通过所述状态观测器根据所述预估航向角度信号计算，得到所述观测信号。

可选地，所述观测总扰动量由所述状态观测器生成，具体包括：

基于观测总扰动量计算公式，通过所述状态观测器根据所述预估航向角度信号计算，得倒所述观测总扰动量。

可选地，所述预估航向角度信号计算公式为：

y_s(t)＝y_p(t-τ)+y_m(t)-y_m(t-τ_m)；

式中，τ为所述船舶操作系统的航向角度回路的实际滞后时间，τ_m为所述标称模型的滞后时间，y_p(t-τ)为所述实际航向角度信号，y_m(t)为不含时滞环节的所述标称模型的输出信号，y_m(t-τ)为时滞环节的所述标称模型的输出信号，y_s(t)为所述预估航向角度信号。

可选地，所述观测航向角度信号计算公式和所述观测总扰动量计算公式为：

其中，

为所述观测航向角度信号计算公式，

为所述观测总扰动量计算公式，

为观测航向角度的变化速度信号；

式中，

为所述观测航向角度信号，

为所述观测总扰动量，β₁、β₂和β₃均为所述状态观测器的观测参数，a_0m、a_1m和b_m为所述标称模型参数，y_s(t)为所述预估航向角度信号，其中，β₁＝3w_o-a_1m；

w_o为所述状态观测器的观测带宽。

可选地，所述初始量控制量计算公式为：

式中，u₀(t)为所述初始控制量，e(t)为所述角度误差，k_p和k_d为所述内模控制器的控制参数，其中k_p＝a_1m/(b_mλ)；k_d＝1/(b_mλ)；λ为所述内模控制器调节因子。

本申请第二方面提供一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制装置，所述装置包括：

采集单元，用于获取由舰向传感器发送的实际航向角度信号，以及由船舶操作系统发送的总控制信号，并接收目标航向角度的指令信号；

第一计算单元，用于基于预估航向角度信号计算公式，通过Smith预估器根据所述总控制信号、所述实际航向角度信号和标称模型参数进行计算，得到预估航向角度信号；

第二计算单元，用于计算所述目标航向角度的指令信号和观测航向角度信号的角度误差，所述观测航向角度信号为所述预估航向角度信号的观测信号，所述观测信号由状态观测器生成；

第三计算单元，用于基于初始量控制量计算公式，通过内模控制器根据所述角度误差计算得到初始控制量，根据所述初始控制量和观测总扰动量计算得到总控制量，所述观测总扰动量由所述状态观测器生成；

分析单元，用于将所述总控制量输入到所述船舶操作系统得到推力值，并根据所述推力值调整航向角度后，判断所述航向角度是否等于所述目标航向角度，若是停止计算，否则，触发所述第一计算单元。

可选地，所述观测信号由状态观测器生成，具体包括：

基于观测航向角度信号计算公式，通过所述状态观测器根据所述预估航向角度信号计算，得到所述观测信号。

本申请第三方面提供一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行如上述第一方面所述的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法的步骤。

本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述第一方面所述船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请提供了一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法，包括：S1、获取由舰向传感器发送的实际航向角度信号，以及由船舶操作系统发送的总控制信号，并接收目标航向角度的指令信号；S2、基于预估航向角度信号计算公式，通过Smith预估器根据总控制信号、实际航向角度信号和标称模型参数进行计算，得到预估航向角度信号；S3、计算目标航向角度的指令信号和观测航向角度信号的角度误差，观测航向角度信号为预估航向角度信号的观测信号，观测信号由状态观测器生成；S4、基于初始量控制量计算公式，通过内模控制器根据角度误差计算得到初始控制量，根据初始控制量和观测总扰动量计算得到总控制量，观测总扰动量由状态观测器生成；S5、将总控制量输入到船舶操作系统得到推力值，并根据推力值调整航向角度后，判断航向角度是否等于目标航向角度，若是停止计算，否则，返回步骤S2。

本申请的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法，通过Smith预估器得到预估航向角度信号作为实际反馈信号，解决了传统自抗扰控制中的反馈回路信号不匹配问题；并利用已知的标称模型参数，设计模型扩张状态观测器，提高了总扰动的观测和补偿精度，从而降低对系统各阶状态的观测负担，提高观测精度；同时通过在控制量中对观测的总扰动量进行实时补偿，将船舶操纵系统航向角度回路模型改造成不含滞后环节的标称模型形式，而不是传统自抗扰控制进行的积分串联型改造；最后利用内模原理，针对改造的标称模型设计内模控制器，具有良好的控制效果，从而解决了现有的预估自抗扰控制方法的控制精度不理想的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法在系统中的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法在系统中的等效流程示意图；

图4为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法在一具体实施方式中的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法在模型精确时的输出响应对比图；

图6为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法在模型精确时的跟踪误差信号对比图；

图7为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法在模型精确时的观测总扰动量对比图；

图8为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法在参数摄动时的输出响应对比图；

图9为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法在参数摄动时的输出响应对比放大图；

图10为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法在参数摄动时的跟踪误差信号对比图；

图11为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法在参数摄动时的跟踪误差信号对比放大图；

图12为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1、图2和图3，本申请提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法的实施例包括：

步骤101、获取由舰向传感器发送的实际航向角度信号，以及由船舶操作系统发送的总控制信号，并接收目标航向角度的指令信号。

当需要对航向角度进行调整的时候，需要通过舰向传感器获取船舶的实际航向角度信号，以及船舶操作系统发送的总控制信号，并接收输入到控制系统的目标航向角度的指令信号。

步骤102、基于预估航向角度信号计算公式，通过Smith预估器根据总控制信号、实际航向角度信号和标称模型参数进行计算，得到预估航向角度信号。

通过图1可以知道，在获取完实际航向角度信号等参数之后，首选通过Smith预估器基于预估航向角度信号计算公式，计算预估航向角度信号，然后预估航向角度信号流转到状态观测器中分别生成观测航向角度信号和观测总扰动量。

其中预估航向角度信号计算公式为：

y_s(t)＝y_p(t-τ)+y_m(t)-y_m(t-τ_m)；

式中，τ为船舶操作系统的航向角度回路的实际滞后时间，τ_m为标称模型的滞后时间，y_p(t-τ)为实际航向角度信号，y_m(t)为不含时滞环节的标称模型的输出信号，y_m(t-τ)为时滞环节的标称模型的输出信号，y_s(t)为预估航向角度信号。

步骤103、计算目标航向角度的指令信号和观测航向角度信号的角度误差，观测航向角度信号为预估航向角度信号的观测信号，观测信号由状态观测器生成。

接着，对由状态观测器生成的观测航向角度信号与输入的目标航向角度的指令信号计算角度误差，然后角度误差传送到内膜控制器。

步骤104、基于初始量控制量计算公式，通过内模控制器根据角度误差计算得到初始控制量，根据初始控制量和观测总扰动量计算得到总控制量，观测总扰动量由状态观测器生成。

然后，在内模控制器中，基于初始量控制量计算公式根据角度误差计算得到初始控制量，之后将初始控制量与状态观测器生成的观测总扰动量进行计算得到总控制量。

其中，初始量控制量计算公式为：

式中，u₀(t)为初始控制量，e(t)为角度误差，k_p和k_d为内模控制器的控制参数，其中k_p＝a_1m/(b_mλ)；k_d＝1/(b_mλ)；λ为内模控制器调节因子。

需要说明的是，观测信号由状态观测器生成，具体包括：基于观测航向角度信号计算公式，通过状态观测器根据预估航向角度信号计算，得到观测信号。

需要说明的是，观测总扰动量由状态观测器生成，具体包括：基于观测总扰动量计算公式，通过状态观测器根据预估航向角度信号计算，得倒观测总扰动量。

其中，观测航向角度信号计算公式和观测总扰动量计算公式为：

其中，

为观测航向角度信号计算公式，

为观测总扰动量计算公式，

为观测航向角度的变化速度信号；

式中，

为观测航向角度信号，

为观测总扰动量，β₁、β₂和β₃均为状态观测器的观测参数，a_0m、a_1m和b_m为标称模型参数，y_s(t)为预估航向角度信号，，其中，β₁＝3w_o-a_1m；

w_o为状态观测器的观测带宽。

步骤105、将总控制量输入到船舶操作系统得到推力值，并根据推力值调整航向角度后，判断航向角度是否等于目标航向角度，若是停止计算，否则，返回步骤102。

最后，将总控制量输入到船舶操作系统得到推力值，系统根据推力值调整航向角度后，判断航向角度是否等于目标航向角度，若是停止计算，否则返回步骤102重新计算直至航向角度到达目标航向角度。

本申请的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法，通过Smith预估器得到预估航向角度信号作为实际反馈信号，解决了传统自抗扰控制中的反馈回路信号不匹配问题；并利用已知的标称模型参数，设计模型扩张状态观测器，提高了总扰动的观测和补偿精度，从而降低对系统各阶状态的观测负担，提高观测精度；同时通过在控制量中对观测的总扰动量进行实时补偿，将船舶操纵系统航向角度回路模型改造成不含滞后环节的标称模型形式，而不是传统自抗扰控制进行的积分串联型改造；最后利用内模原理，针对改造的标称模型设计内模控制器，具有良好的控制效果，从而解决了现有的预估自抗扰控制方法的控制精度不理想的技术问题。

以上为本申请实施例提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法的实施例，以下为本申请对于标称模型的设计改造实施例。

首先，本实施例设置的一种船舶操纵系统中的航向角度对象的传递函数为：

微分方程表示为：

其中，x_1p、x_2p分别为实际航向角度和实际航向角度的变化速度，即x_1p＝y_p(t-τ)，

f(x_1p,x_2p,t)为系统内部未知扰动；w为外部未知扰动；τ表示航向角度回路的实际滞后时间；a₀和a₁为系统参数。

作为航向角度的实际输出，x₁在时间上是滞后一个τ的，因此与控制信号u(t)在时间轴上不匹配。

通过模型辨识，我们可以得到如下的标称模型：

其中，a_0m、a_1m、b_m和τ_m为已知的标称模型参数。

接着，设计Smith预估器，由公式y_s(t)＝y_p(t-τ)+y_m(t)-y_m(t-τ_m)计算得到预估航向角度信号y_s(t)。假设标称模型参数精确，即a_0m＝a₀、a_1m＝a₁、b_m＝b、τ_m＝τ，于是有

y_s(t)＝y_m(t)；

使得y_s(t)与u(t)在时间轴上匹配，相当于被控对象为：

其微分方程为：

其中，x_1m、x_2m分别为预估航向角度和预估航向角度的变化速度，即x_1m＝y_s(t)，

但是实际过程中标称模型不可能完全精确，必然存在建模参数误差。其系统总扰动可表示为d_m＝(b-b_m)u-(a₁-a_1m)x_2m-(a₀-a_0m)x_1m+f(x₁,x₂,t)+w，令扩张状态x₃＝d，假设总扰动有界且可导，于是原系统被扩展为：

由状态观测器计算得到观测航向角度信号z₁(t)、观测航向角度的变化速度信号z₂(t)以及观测总扰动量z₃(t)。

根据总扰动计算公式u(t)＝u₀(t)-z₃(t)/b_m，可知当z₁(t)＝y_s(t)，

和z₃(t)＝d_m(t)时，有

传递函数形式为：

于是将被控对象模型改造成了不含滞后环节的标称模型形式。

注意：实际航向角度输出需要经过滞后环节，因此一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法的等效结构图如图4所示。

以上为本申请对于标称模型的设计改造实施例，以下为本申请提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法的实验对比分析。

通过模型辨识得到船舶操纵系统的航向角度回路的标称模型传递函数为：

其中，模型参数a_0m＝0、a_1m＝1/62.38、b_m＝0.31/62.38、τ_m＝60。假设模型精确，控制参数选择为：

1、通过图5和图6可以知道，本申请所提供的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法相较于PADRC方法的跟踪误差跟小，具有更好的跟踪性能。

2、通过图7可以知道，本申请的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法相较于PADRC方法对总扰动的估计能力更强。

考虑存在建模误差，实际航向角度回路的系统参数为：

a₀＝a_0m、a₁＝a_1m/0.9、b＝1.1b_m/0.9、τ＝1.1τ_m

并保持原有控制参数不变。

3、通过图8、图9、图10和图11可以知道，本申请的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法相较于PADRC方法，本申请的方法不仅具有更好的航向角度到位精度，而且控制量也较平滑，能够大大减小能耗。

以上为本申请提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法与现有的PADRC方法的实验对比分析，以下为本申请提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控装置的实施例。

请参阅图12，本申请提供的一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控装置的实施例，包括：

采集单元201，用于获取由舰向传感器发送的实际航向角度信号，以及由船舶操作系统发送的总控制信号，并接收目标航向角度的指令信号；

第一计算单元202，用于基于预估航向角度信号计算公式，通过Smith预估器根据总控制信号、实际航向角度信号和标称模型参数进行计算，得到预估航向角度信号；

第二计算单元203，用于计算目标航向角度的指令信号和观测航向角度信号的角度误差，观测航向角度信号为预估航向角度信号的观测信号，观测信号由状态观测器生成；

第三计算单元204，用于基于初始量控制量计算公式，通过内模控制器根据角度误差计算得到初始控制量，根据初始控制量和观测总扰动量计算得到总控制量，观测总扰动量由状态观测器生成；

分析单元205，用于将总控制量输入到船舶操作系统得到推力值，并根据推力值调整航向角度后，判断航向角度是否等于目标航向角度，若是停止计算，否则，触发第一计算单元。

进一步地，本申请实施例还提供了一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制设备，其特征在于，设备包括处理器以及存储器：

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行上述方法实施例的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法。

进一步地，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述方法实施例的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法，其特征在于，包括：

S1、获取由舰向传感器发送的实际航向角度信号，以及由船舶操作系统发送的总控制信号，并接收目标航向角度的指令信号；

S2、基于预估航向角度信号计算公式，通过Smith预估器根据所述总控制信号、所述实际航向角度信号和标称模型参数进行计算，得到预估航向角度信号；

S3、计算所述目标航向角度的指令信号和观测航向角度信号的角度误差，所述观测航向角度信号为所述预估航向角度信号的观测信号，所述观测信号由状态观测器生成；

S4、基于初始量控制量计算公式，通过内模控制器根据所述角度误差计算得到初始控制量，根据所述初始控制量和观测总扰动量计算得到总控制量，所述观测总扰动量由所述状态观测器生成；

S5、将所述总控制量输入到所述船舶操作系统得到推力值，并根据所述推力值调整航向角度后，判断所述航向角度是否等于所述目标航向角度，若是停止计算，否则，返回步骤S2；

其中，所述预估航向角度信号计算公式为：

y_s(t)＝y_p(t-τ)+y_m(t)-y_m(t-τ_m)；

式中，τ为所述船舶操作系统的航向角度回路的实际滞后时间，τ_m为所述标称模型的滞后时间，y_p(t-τ)为所述实际航向角度信号，y_m(t)为不含时滞环节的所述标称模型的输出信号，y_m(t-τ)为时滞环节的所述标称模型的输出信号，y_s(t)为所述预估航向角度信号；

所述观测航向角度信号计算公式和所述观测总扰动量计算公式为：

其中，

为所述观测航向角度信号计算公式，

为所述观测总扰动量计算公式；

式中，z₁(t)为所述观测航向角度信号，z₂(t)为观测航向角度的变化速度信号，z₃(t)为所述观测总扰动量，β₁、β₂和β₃均为所述状态观测器的观测参数，a_0m、a_1m和b_m为所述标称模型参数，y_s(t)为所述预估航向角度信号，其中，β₁＝3w_o-a_1m；

w_o为所述状态观测器的观测带宽；

所述初始量控制量计算公式为：

式中，u₀(t)为所述初始控制量，e(t)为所述角度误差，k_p和k_d为所述内模控制器的控制参数，其中k_p＝a_1m/(b_mλ)；k_d＝1/(b_mλ)；λ为所述内模控制器调节因子。

2.根据权利要求1所述的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法，其特征在于，所述观测信号由状态观测器生成，具体包括：

基于观测航向角度信号计算公式，通过所述状态观测器根据所述预估航向角度信号计算，得到所述观测信号。

3.根据权利要求2所述的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法，其特征在于，所述观测总扰动量由所述状态观测器生成，具体包括：

基于观测总扰动量计算公式，通过所述状态观测器根据所述预估航向角度信号计算，得到所述观测总扰动量。

4.一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制装置，其特征在于，包括：

采集单元，用于获取由舰向传感器发送的实际航向角度信号，以及由船舶操作系统发送的总控制信号，并接收目标航向角度的指令信号；

第一计算单元，用于基于预估航向角度信号计算公式，通过Smith预估器根据所述总控制信号、所述实际航向角度信号和标称模型参数进行计算，得到预估航向角度信号；

第二计算单元，用于计算所述目标航向角度的指令信号和观测航向角度信号的角度误差，所述观测航向角度信号为所述预估航向角度信号的观测信号，所述观测信号由状态观测器生成；

第三计算单元，用于基于初始量控制量计算公式，通过内模控制器根据所述角度误差计算得到初始控制量，根据所述初始控制量和观测总扰动量计算得到总控制量，所述观测总扰动量由所述状态观测器生成；

分析单元，用于将所述总控制量输入到所述船舶操作系统得到推力值，并根据所述推力值调整航向角度后，判断所述航向角度是否等于所述目标航向角度，若是停止计算，否则，触发所述第一计算单元；

其中，所述预估航向角度信号计算公式为：

y_s(t)＝y_p(t-τ)+y_m(t)-y_m(t-τ_m)；

式中，τ为所述船舶操作系统的航向角度回路的实际滞后时间，τ_m为所述标称模型的滞后时间，y_p(t-τ)为所述实际航向角度信号，y_m(t)为不含时滞环节的所述标称模型的输出信号，y_m(t-τ)为时滞环节的所述标称模型的输出信号，y_s(t)为所述预估航向角度信号；

所述观测航向角度信号计算公式和所述观测总扰动量计算公式为：

其中，

为所述观测航向角度信号计算公式，

为所述观测总扰动量计算公式；

式中，z₁(t)为所述观测航向角度信号，z₂(t)为观测航向角度的变化速度信号，z₃(t)为所述观测总扰动量，β₁、β₂和β₃均为所述状态观测器的观测参数，a_0m、a_1m和b_m为所述标称模型参数，y_s(t)为所述预估航向角度信号，其中，β₁＝3w_o-a_1m；

w_o为所述状态观测器的观测带宽；

所述初始量控制量计算公式为：

式中，u₀(t)为所述初始控制量，e(t)为所述角度误差，k_p和k_d为所述内模控制器的控制参数，其中k_p＝a_1m/(b_mλ)；k_d＝1/(b_mλ)；λ为所述内模控制器调节因子。

5.根据权利要求4所述的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制装置，其特征在于，所述观测信号由状态观测器生成，具体包括：

基于观测航向角度信号计算公式，通过所述状态观测器根据所述预估航向角度信号计算，得到所述观测信号。

6.一种船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-3任一项所述的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-3任一项所述的船舶操纵系统中的航向角度自抗扰控制方法。

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