CN113219978A - 一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法 - Google Patents

一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法 Download PDF

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CN113219978A CN202110518308.5A CN202110518308A CN113219978A CN 113219978 A CN113219978 A CN 113219978A CN 202110518308 A CN202110518308 A CN 202110518308A CN 113219978 A CN113219978 A CN 113219978A
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Abstract

本发明公开了一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，包括：利用零阶保持器储存上一触发时刻船舶状态向量、控制律及自适应律。根据获取的船舶状态信息和零阶保持器中储存的船舶状态信息构建简洁事件触发机制。当满足事件触发机制时，系统输出零阶保持器中储存的船舶状态向量、控制律及自适应律。当不满足事件触发机制时，控制器触发，零阶保持器中储存的船舶状态向量、控制律及自适应律更新并输出。从而，通过基于事件触发的容错机制解决船舶路径跟踪控制中通信通道受阻和执行器故障问题。

Description

一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法
技术领域
本发明涉及船舶控制工程与船舶自主航行装备应用领域，尤其涉及一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法。
背景技术
路径跟踪控制是船舶运动控制领域的一个重要应用。虽然现有的研究已经取得了丰富的成果，但在理论设计和工程实践中仍存在一系列亟待解决的问题。例如由于船舶通信网络受阻和执行器过度磨损，导致船舶执行机构经常发生未知故障。由于传统的路径跟踪控制系统连续的输出控制信号，船舶配备的执行器不断频繁地响应造成执行器的机械磨损，而且不间断的信号传输会过度占用船上有限的通信资源。我们期望在保证路径跟踪控制效果的前提下，减少控制信号的传输和执行器的动作频率。
基于以上分析，传统路径跟踪算法归纳为以下两点缺陷：
一是需要不间断采集状态信息、传感器到执行器之间的信号不断传输。另外控制器输出的控制信号频繁传输到执行机构，容易造成船上通信通道阻塞和不必要的执行器的动作，增加了执行器的磨损，造成了有限的通信能源的浪费。
二是没有考虑船舶可能发生的执行器故障问题。随着船舶大型化、现代化发展，控制系统由于仪器数量庞大、复杂程度提高，执行器故障数量显著增加，船舶的安全性和可靠性面临着巨大挑战。另外，执行器故障可能会导致控制系统性能下降，甚至引发系统崩溃，对船舶安全航行存在巨大的影响。
发明内容
本发明提供一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，以克服上述技术问题。
本发明一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，包括：
建立船舶三自由度模型和故障模型，将所述船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型；
获取船舶当前航行状态信息；根据获取的所述船舶当前航行状态信息和船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息，构建事件触发机制；
当满足所述事件触发机制时，输出零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律；当不满足所述事件触发机制时，更新零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律并输出；
根据所述具有执行器故障的船舶模型和所述零阶保持器中储存的航行状态信息来设计船舶控制器；
通过所述零阶保持器输出的自适应律来获得所述船舶控制器的直接控制律和路径跟踪容错控制律；
将所述路径跟踪容错控制律输出至船舶执行器伺服系统，以控制船舶的运动姿态。
进一步地，所述建立船舶三自由度模型和故障模型，包括：
所述船舶三自由度模型表示为：
Figure BDA0003062749430000021
式中，x,y,ψ表示船舶在地理坐标系下的纵、横位置坐标和艏向角，u,v,r分别为船舶的前进速度、横漂速度和艏摇角速率；mu,mv,mr表示三个自由度的附加质量，Tu(·),Fr(·)是未知的执行器增益函数，主机转数na和舵角δa是实际的控制输入；dwi,i＝u,v,r用来描述外界环境干扰产生的干扰力和力矩；fu(v)，fv(v)，fr(v)表示船舶模型中的不确定参数；
所述故障模型表示为：
Figure BDA0003062749430000022
将所述船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型，表示为：
Figure BDA0003062749430000031
式中，主机的路径跟踪容错控制律Nua＝|na|na，舵机的路径跟踪容错控制律Nra＝δa，主机的直接控制命令Nuo＝|no|no，舵机的直接控制命令Nro＝δo，其中no,δo分别表示主机转数和舵角控制的命令；0＜kio≤1,
Figure BDA0003062749430000032
表示故障模型的参数，故障在时间
Figure BDA0003062749430000033
内发生。
进一步地，执行器故障类型包括：
0＜kio＜1,
Figure BDA0003062749430000034
表示执行器部分失效；
kio＝1,
Figure BDA0003062749430000035
表示执行器有偏置故障；
0＜kio＜1,
Figure BDA0003062749430000036
表示执行器既部分失效又有偏置故障。
进一步地，所述获取船舶当前航行状态信息包括：在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差xe，ye和艏向角误差ψe，船舶的前进速度u、横漂速度v和艏摇角速率r；所述船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息包括：上一触发时刻在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差
Figure BDA0003062749430000037
和艏向角误差
Figure BDA0003062749430000038
船舶的前进速度
Figure BDA0003062749430000039
横漂速度
Figure BDA00030627494300000310
和艏摇角速率
Figure BDA00030627494300000311
进一步地，所述构建事件触发机制包括：
定义事件触发误差，表示为：
Figure BDA00030627494300000312
根据所述事件触发误差将所述事件触发机制，表示为：
Figure BDA00030627494300000313
式中，
Figure BDA00030627494300000314
i＝u,r,εj,εi为正的设计参数；
阈值参数为κj＝Γj(kj-3)/kj,
Figure BDA00030627494300000315
其中ev＝[eu,ev,er]T，0＜Γj＜1，
Figure BDA00030627494300000316
kj,
Figure BDA00030627494300000317
kun,krn,bu,br,Li为正的设计参数，
Figure BDA00030627494300000318
为鲁棒神经阻尼项Φi(·)的上界；
根据式(5)得到考虑船舶控制工程实际需求的所述事件触发机制，表示为：
||eξ||≤κ||ξ||+||ε|| (6)
式中，
Figure BDA0003062749430000041
设计参数
Figure BDA0003062749430000042
进一步地，所述根据所述具有执行器故障的船舶模型和所述零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律来设计船舶控制器，包括：
设定参考轨迹ηd＝[xd,yd,ψd]T，xd,yd,ψd分别为参考横、纵位置坐标和参考艏向角，ud,rd分别为参考推进速度和参考转艏角速率，其中，
Figure BDA0003062749430000043
定义运动学误差变量ue＝u-αu,ψe＝ψd-ψ,
Figure BDA0003062749430000044
re＝r-αr，通过式(8)将所述船舶运动学误差方程，表示为：
Figure BDA0003062749430000045
其中，Ψy＞0为有界设计参数。
进一步地，通过式(9)设计虚拟控制律αu,
Figure BDA0003062749430000046
αr来稳定运动学误差；
Figure BDA0003062749430000047
式中，
Figure BDA0003062749430000048
是设计参数，ud0是根据船舶操纵经验设计的参数。
进一步地，将ue,re分别对时间求导，得到式(10)；
Figure BDA0003062749430000049
针对式(10)中的不确定项fu(v)，fr(v)，利用RBF神经网络逼近技术得到式(11)，表示为：
fi(v)＝S(v)Aiαv+S(v)Aive+εi (11)
式中，i＝u,r,av＝[αu,v,αr]T,ve＝[ue,0,re]T，S(v)为高斯函数，Ai为设计参数，逼近误差εi为正的设计参数；
结合式(10)和式(11)，利用鲁棒神经阻尼技术处理不确定项fi(v)和扰动项dwi，表示为：
Figure BDA0003062749430000051
式中，
Figure BDA0003062749430000052
分别为εi,dwi的上界，
Figure BDA0003062749430000053
为正的设计参数；鲁棒阻尼项
Figure BDA0003062749430000054
零阶保持器中储存的鲁棒神经阻尼项
Figure BDA0003062749430000055
进一步地，针对式(10)中含有执行器部分失效故障的项
Figure BDA0003062749430000056
令
Figure BDA0003062749430000057
设计自适应参数
Figure BDA0003062749430000058
来估计误差项的倒数补偿执行器部分失效故障；针对偏置故障项
Figure BDA0003062749430000059
令
Figure BDA00030627494300000510
通过式(13)设计自适应参数
Figure BDA00030627494300000511
来估计偏置故障项的上确界，表示为：
Figure BDA00030627494300000512
式中，tk,tk+1为相邻的触发时刻
Figure BDA00030627494300000513
均为正的设计参数，误差反馈信号参数
Figure BDA00030627494300000514
表示为式(14)，
Figure BDA00030627494300000515
是正的设计参数；
Figure BDA00030627494300000516
进一步地，所述通过所述零阶保持器输出的自适应律来获得所述船舶控制器的直接控制律和路径跟踪容错控制律，包括：
通过式(15)计算所述直接控制律αni和路径跟踪容错控制律Nia i＝u,r；
Figure BDA00030627494300000517
式中，
Figure BDA0003062749430000061
kin是正的设计参数，
Figure BDA0003062749430000062
为鲁棒神经阻尼项，ε0为正参数。
本发明利用零阶保持器储存上一触发时刻船舶状态向量、控制律及自适应律。根据获取的船舶状态信息和零阶保持器中储存的船舶状态信息构建简洁事件触发机制。当满足事件触发机制时，系统输出零阶保持器中储存的船舶状态向量、控制律及自适应律。当不满足事件触发机制时，控制器触发，零阶保持器中储存的船舶状态向量、控制律及自适应律更新并输出。从而，通过基于事件触发的容错机制解决船舶路径跟踪控制中通信通道受阻和执行器故障问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的逻辑结构图；
图3为本发明的控制算法的执行流程图；
图4a为本发明的对比试验中5级海况下风场视图；
图4b为本发明的对比试验中5级海况下3D波面视图；
图5为本发明的对比试验中航海实践条件下船舶路径跟踪轨迹对比结果图；
图6为本发明的对比试验中路径跟踪误差变量xe,ye,ψe对比结果图；
图7为本发明的对比试验中控制命令和实际输入图；
图8为本发明的对比试验中触发时间间隔分析图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2、图3所示，本实施例提供了一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，包括：
101、建立船舶三自由度模型和故障模型，将船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型；
具体而言，船舶三自由度模型表示为：
Figure BDA0003062749430000071
式中，x,y,ψ表示船舶在地理坐标系下的纵、横位置坐标和艏向角，u,v,r分别为船舶的前进速度、横漂速度和艏摇角速率；mu,mv,mr表示三个自由度的附加质量，Tu(·),Fr(·)是未知的执行器增益函数，主机转数na和舵角δa是实际的控制输入；dwi,i＝u,v,r用来描述外界环境干扰产生的干扰力和力矩；fu(v)，fv(v)，fr(v)表示船舶模型中的不确定参数；
故障模型表示为：
Figure BDA0003062749430000072
将船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型，表示为：
Figure BDA0003062749430000073
式中，主机的路径跟踪容错控制律Nua＝|na|na，舵机的路径跟踪容错控制律Nra＝δa，主机的直接控制命令Nuo＝|no|no，舵机的直接控制命令Nro＝δo，其中no,δo分别表示主机转数和舵角控制的命令；0＜kio≤1,
Figure BDA0003062749430000074
表示故障模型的参数，故障在时间
Figure BDA0003062749430000075
内发生。
执行器故障类型包括：
0＜kio＜1,
Figure BDA0003062749430000076
表示执行器部分失效；
kio＝1,
Figure BDA0003062749430000077
表示执行器有偏置故障；
0＜kio＜1,
Figure BDA0003062749430000081
表示执行器既部分失效又有偏置故障。
102、获取船舶当前航行状态信息；根据获取的船舶当前航行状态信息和船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息，构建事件触发机制；
具体而言，获取船舶当前航行状态信息包括：在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差xe，ye和艏向角误差ψe，船舶的前进速度u、横漂速度v和艏摇角速率r；
船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息包括：上一触发时刻在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差
Figure BDA0003062749430000082
和艏向角误差
Figure BDA0003062749430000083
船舶的前进速度
Figure BDA0003062749430000084
横漂速度
Figure BDA0003062749430000085
和艏摇角速率
Figure BDA0003062749430000086
构建事件触发机制包括：
定义事件触发误差，表示为：
Figure BDA0003062749430000087
根据所述事件触发误差将所述事件触发机制，表示为：
Figure BDA0003062749430000088
式中，
Figure BDA0003062749430000089
i＝u,r,εj,εi为正的设计参数；
阈值参数为κj＝Γj(kj-3)/kj,
Figure BDA00030627494300000810
其中ev＝[eu,ev,er]T，＜Γj＜1，
Figure BDA00030627494300000811
kj,
Figure BDA00030627494300000812
kun,krn,bu,br,Li为正的设计参数，
Figure BDA00030627494300000813
为鲁棒神经阻尼项Φi(·)的上界；
根据式(5)得到考虑船舶控制工程实际需求的所述事件触发机制，表示为：
||eξ||≤κ||ξ||+||ε|| (6)
式中，
Figure BDA00030627494300000814
设计参数
Figure BDA00030627494300000815
103、当满足事件触发机制时，输出零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律；当不满足所述事件触发机制时，更新零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律并输出；
具体而言，如图3所示，事件触发机制决定了什么时刻更新采样数据及传输控制信号，其控制信号仅在设定的事件发生一次后才会被计算更新一次。本发明中，当控制器不能满足船舶系统稳定性和控制性能指标时，才会进行船舶状态信息的更新及控制信号的更新与传输。当满足事件触发机制时，系统输出上一触发时刻在零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律，直到下一个触发时刻；当不满足事件触发机制时，利用当前最新的航行状态信息，控制器触发并计算出新的控制律和自适应律，同时更新并输出零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律。下一个采样点对是否满足事件触发机制再次进行判断，以此进行循环。零阶保持器中储存的航行状态信息更新并输出，如下：
Figure BDA0003062749430000091
其中(·)+为零阶保持器中最新的状态向量。本发明事件触发方案有效的减少了控制器计算和控制信号更新传输的次数，节约更多的通信资源。
104、根据具有执行器故障的船舶模型和零阶保持器中储存的航行状态信息来设计船舶控制器；
具体而言，设定参考轨迹ηd＝[xd,yd,ψd]T，xd,yd,ψd分别为参考横、纵位置坐标和参考艏向角，ud,rd分别为参考推进速度和参考转艏角速率，其中，
Figure BDA0003062749430000092
定义运动学误差变量ue＝u-αu,ψe＝ψd-ψ,
Figure BDA0003062749430000093
re＝r-αr，通过式(8)将船舶运动学误差方程，表示为：
Figure BDA0003062749430000094
其中，Ψy＞0为有界设计参数。
通过式(9)设计虚拟控制律αu,
Figure BDA0003062749430000095
αr来稳定运动学误差；
Figure BDA0003062749430000096
式中，
Figure BDA0003062749430000097
是设计参数，ud0是根据船舶操纵经验设计的参数。
将ue,re分别对时间求导，得到式(10)；
Figure BDA0003062749430000098
针对式(10)中的不确定项fu(v)，fr(v)，利用RBF神经网络逼近技术得到式(11)，表示为：
fi(v)＝S(v)Aiαv+S(v)Aive+εi (11)
式中，i＝u,r,av＝[αu,v,αr]T,ve＝[ue,0,re]T，S(v)为高斯函数，Ai为设计参数，逼近误差εi为正的设计参数；
结合式(10)和式(11)，利用鲁棒神经阻尼技术处理不确定项fi(v)和扰动项dwi，表示为：
Figure BDA0003062749430000101
式中，
Figure BDA0003062749430000102
分别为εi,dwi的上界，
Figure BDA0003062749430000103
为正的设计参数；鲁棒阻尼项
Figure BDA0003062749430000104
零阶保持器中储存的鲁棒神经阻尼项
Figure BDA0003062749430000105
针对式(10)中含有执行器部分失效故障的项
Figure BDA0003062749430000106
令
Figure BDA0003062749430000107
设计自适应参数
Figure BDA0003062749430000108
来估计误差项的倒数补偿执行器部分失效故障。针对偏置故障项
Figure BDA0003062749430000109
令
Figure BDA00030627494300001010
通过式(13)设计自适应参数
Figure BDA00030627494300001011
来估计偏置故障项的上确界，表示为：
Figure BDA00030627494300001012
式中，tk,tk+1为相邻的触发时刻
Figure BDA00030627494300001013
均为正的设计参数，误差反馈信号参数
Figure BDA00030627494300001014
表示为式(14)，
Figure BDA00030627494300001015
是正的设计参数；
Figure BDA00030627494300001016
105、通过零阶保持器输出的自适应律来获得船舶控制器的直接控制律和路径跟踪容错控制律；
具体而言，通过式(15)计算直接控制律αni和路径跟踪容错控制律Nia i＝u,r；
Figure BDA0003062749430000111
式中，
Figure BDA0003062749430000112
kin是正的设计参数，
Figure BDA0003062749430000113
为鲁棒神经阻尼项，ε0为正参数。
106、将路径跟踪容错控制律输出至船舶执行器伺服系统，以控制船舶的运动姿态。
本发明提出的算法与现有技术的控制算法的对比试验如下：
试验中使用38m的欠驱动船作为被控对象。船舶参数为：
m11＝120×103kg,m22＝177.9×103kg,m33＝636×105kg。
设定的参考路径的由四个航路点组成；
分别为W1(100,0),W2(1000,100),W3(1400,1200),W4(2200,1300)，参考航速为ud＝7m/s。试验设定该被控船舶的初始运动状态为：
[x(0),y(0),ψ(0),u(0),v(0),r(0)]＝[90m,10m,20deg,8m/s,0m/s,0rad/s]。
为了使仿真更加符合实际工程要求，本试验采用基于机理模型来描述海洋环境扰动，综合考虑了风、海浪和海流等因素。仿真试验中环境干扰为：风速(蒲福风5级)Vwind＝10.2m/s，风向ψwind＝150deg；海浪干扰由风干扰模型耦合产生，即为在蒲福风5级状况下充分成长的海浪，如图4a、图4b所示，海流Vcurrent＝0.85m/s，流向ψcurrent＝120deg。为了验证本发明算法对于执行器故障的补偿能力，本试验在第150s设计了20％的主机部分效能丧失(PLOE)和舵机伺服系统的-5度的偏置故障，这种故障类型在航海实践中是非常典型，具有很大的参考意义。
图5给出了在上述试验条件下，利用本发明的控制算法和现有技术控制算法实现的路径跟踪轨迹对比结果。图6给出了对应的路径跟踪误差变量。从对比结果可以发现本发明的控制算法在海洋环境干扰和存在执行器故障的情况下，跟踪误差可以收敛到一个小的邻域，确保了路径跟踪良好的控制效果。相对于现有技术的控制算法具有更高的路径跟踪精度。
图7给出了该发明提出算法的控制命令和控制输入。可以看出，当执行器故障发生在第150s后，舵机伺服系统的控制输入明显的突变，该发明提出的算法能够对执行器故障提供有效的补偿。本发明中事件触发控制命令在控制器未触发时每个区间都是非周期稳定的，控制器的计算量和通信信道占用明显减少，很大程度上降低了信道阻塞的风险。此外，由于执行器动作显著地减少，该发明算法有效地减少了推进系统和舵机伺服系统的机械磨损，提高执行器设备的寿命和可靠性，在一定程度上提高了船舶航行安全性。图8分析了本专利算法中两个相邻触发时间间隔。由此可见，执行器发生故障后，控制器频繁触发以补偿执行器故障保证系统的稳定性。图中可以看出最大的触发时间间隔的为4.6s，最小触发时间间隔的为0.05s，这表明该发明提出的算法不仅有效的降低了执行器的动作频率，还可以避免系统无限次触发的情况。综合以上分析，试验结果在多个方面验证了本发明所提出的事件触发容错算法的有效性。
结合上述试验，并与现有技术进行对比，本发明能够带来以下两点有益效果：
1、本发明提出了基于零阶保持器的事件触发控制算法，实现了基于航路点的船舶路径跟踪任务。与现有的基于连续状态反馈的事件触发方法不同，本发明的算法在系统未触发的阶段不需要持续获取状态信息，系统输出零阶保持器中储存船舶状态信息、控制律以及自适应律。只有在事件触发时，零阶保持器中储存的信息才会被更新，控制器才会计算新的控制律和自适应律。该发明的算法不仅可以有效地减少传感器到控制器以及控制器到执行器之间信道的占用，而且显著减少了控制器的计算量。由于鲁棒神经阻尼技术的优势，本发明在不需要在线更新神经网络权值的条件下，可以实现使用控制律来补偿相关的扰动。本发明算法在减少计算量和额外信道占用方面的优势，对提高算法在船舶实际应用中的适用性具有重要意义。
2、在实际船舶工程中，随着船舶大型化、现代化发展，控制系统由于仪器数量庞大、复杂程度提高，船舶主机和舵机伺服系统故障时有发生。未知的执行器故障不仅使系统的操纵性能下降，而且增加了船舶的航行风险。因此，本发明的算法提出了一种自适应容错算法，补偿船舶航行中可能出现的执行器故障。仅通过在线更新4个自适应参数，同时补偿增益相关的执行器部分失效故障和执行器偏置故障，从而降低了算法的计算复杂度，提高了算法在海洋工程中的适用性。与现有方案不同的是，该发明提出的自适应容错方案同时考虑了事件触发机制，自适应参数仅在系统触发时才会更新。此外，利用双曲正切函数的优势可以稳定补偿误差。本发明所提出的容错方案可以提高船舶应对突发事件的能力，降低船舶在动力装置稳定运行方面存在的潜在风险。本发明算法对于智能船舶在设备系统故障及突发事件的应急处置方面具有重要意义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，包括：
建立船舶三自由度模型和故障模型，将所述船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型；
获取船舶当前航行状态信息；根据获取的所述船舶当前航行状态信息和船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息，构建事件触发机制；
当满足所述事件触发机制时，输出零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律；当不满足所述事件触发机制时，更新零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律并输出；
根据所述具有执行器故障的船舶模型和所述零阶保持器中储存的航行状态信息来设计船舶控制器；
通过所述零阶保持器输出的自适应律来获得所述船舶控制器的直接控制律和路径跟踪容错控制律；
将所述路径跟踪容错控制律输出至船舶执行器伺服系统，以控制船舶的运动姿态。
2.根据权利要求1所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，所述建立船舶三自由度模型和故障模型，包括：
所述船舶三自由度模型表示为：
Figure FDA0003062749420000011
式中，x,y,ψ表示船舶在地理坐标系下的纵、横位置坐标和艏向角，u,v,r分别为船舶的前进速度、横漂速度和艏摇角速率；mu,mv,mr表示三个自由度的附加质量，Tu(·),Fr(·)是未知的执行器增益函数，主机转数na和舵角δa是实际的控制输入；dwi,i＝u,v,r用来描述外界环境干扰产生的干扰力和力矩；fu(v)，fv(v)，fr(v)表示船舶模型中的不确定参数；
所述故障模型表示为：
Figure FDA0003062749420000021
将所述船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型，表示为：
Figure FDA0003062749420000022
式中，主机的路径跟踪容错控制律Nua＝|na|na，舵机的路径跟踪容错控制律Nra＝δa，主机的直接控制命令Nuo＝|no|no，舵机的直接控制命令Nro＝δo，其中no,δo分别表示主机转数和舵角控制的命令；0＜kio≤1,
Figure FDA0003062749420000023
表示故障模型的参数，故障在时间
Figure FDA0003062749420000024
内发生。
3.根据权利要求2所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，执行器故障类型包括：
0＜kio＜1,
Figure FDA0003062749420000025
表示执行器部分失效；
kio＝1,
Figure FDA0003062749420000026
表示执行器有偏置故障；
0＜kio＜1,
Figure FDA0003062749420000027
表示执行器既部分失效又有偏置故障。
4.根据权利要求3所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，所述获取船舶当前航行状态信息包括：
在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差xe，ye和艏向角误差ψe，船舶的前进速度u、横漂速度v和艏摇角速率r；
所述船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息包括：
上一触发时刻在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差
Figure FDA0003062749420000028
和艏向角误差
Figure FDA0003062749420000029
船舶的前进速度
Figure FDA00030627494200000210
横漂速度
Figure FDA00030627494200000211
和艏摇角速率
Figure FDA00030627494200000212
5.根据权利要求4所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，所述构建事件触发机制包括：
定义事件触发误差，表示为：
Figure FDA00030627494200000213
根据所述事件触发误差将所述事件触发机制，表示为：
Figure FDA0003062749420000031
式中，
Figure FDA0003062749420000032
εi为正的设计参数；
阈值参数为κj＝Γj(kj-3)/kj,
Figure FDA0003062749420000033
其中ev＝[eu,ev,er]T，0＜Γj＜1,
Figure FDA0003062749420000034
kj,
Figure FDA0003062749420000035
kun,krn,bu,br,Li为正的设计参数，
Figure FDA0003062749420000036
为鲁棒神经阻尼项Φi(·)的上界；
根据式(5)得到考虑船舶控制工程实际需求的所述事件触发机制，表示为：
||eξ||≤κ||ξ||+||ε|| (6)
式中，
Figure FDA0003062749420000037
设计参数
Figure FDA0003062749420000038
6.根据权利要求5所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，所述根据所述具有执行器故障的船舶模型和所述零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律来设计船舶控制器，包括：
设定参考轨迹ηd＝[xd,yd,ψd]T，xd,yd,ψd分别为参考横、纵位置坐标和参考艏向角，ud,rd分别为参考推进速度和参考转艏角速率，其中，
Figure FDA0003062749420000039
定义运动学误差变量ue＝u-αu,ψe＝ψd-ψ,
Figure FDA00030627494200000310
re＝r-αr，通过式(8)将所述船舶运动学误差方程，表示为：
Figure FDA00030627494200000311
其中，Ψy＞0为有界设计参数。
7.根据权利要求6所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，通过式(9)设计虚拟控制律αu,
Figure FDA00030627494200000312
αr来稳定运动学误差；
Figure FDA00030627494200000313
式中，
Figure FDA0003062749420000041
是设计参数，ud0是根据船舶操纵经验设计的参数。
8.根据权利要求7所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，将ue,re分别对时间求导，得到式(10)；
Figure FDA0003062749420000042
针对式(10)中的不确定项fu(v)，fr(v)，利用RBF神经网络逼近技术得到式(11)，表示为：
fi(v)＝S(v)Aiαv+S(v)Aive+εi (11)
式中，i＝u,r,av＝[αu,v,αr]T,ve＝[ue,0,re]T，S(v)为高斯函数，Ai为设计参数，逼近误差εi为正的设计参数；
结合式(10)和式(11)，利用鲁棒神经阻尼技术处理不确定项fi(v)和扰动项dwi，表示为：
Figure FDA0003062749420000043
式中，
Figure FDA0003062749420000044
分别为εi,dwi的上界，
Figure FDA0003062749420000045
为正的设计参数；鲁棒阻尼项
Figure FDA0003062749420000046
零阶保持器中储存的鲁棒神经阻尼项
Figure FDA0003062749420000047
9.根据权利要求8所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，针对式(10)中含有执行器部分失效故障的项
Figure FDA0003062749420000048
令
Figure FDA0003062749420000049
设计自适应参数
Figure FDA00030627494200000410
来估计误差项的倒数补偿执行器部分失效故障；针对偏置故障项
Figure FDA00030627494200000411
令
Figure FDA00030627494200000412
通过式(13)设计自适应参数
Figure FDA00030627494200000413
来估计偏置故障项的上确界，表示为：
Figure FDA0003062749420000051
式中，tk,tk+1为相邻的触发时刻
Figure FDA0003062749420000052
均为正的设计参数，误差反馈信号参数
Figure FDA0003062749420000053
表示为式(14)，w＝λ,θ,βi,i＝u,r是正的设计参数；
Figure FDA0003062749420000054
10.根据权利要求9所述的一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，其特征在于，所述通过所述零阶保持器输出的自适应律来获得所述船舶控制器的直接控制律和路径跟踪容错控制律，包括：
通过式(15)计算所述直接控制律αni和路径跟踪容错控制律Nia i＝u,r；
Figure FDA0003062749420000055
式中，
Figure FDA0003062749420000057
是正的设计参数，
Figure FDA0003062749420000056
为鲁棒神经阻尼项，ε0为正参数。
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