KR20160081906A - Filtering back-stepping ship motion control system based on adaptive fuzzy estimator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템을 제공하고자 한다. 상기 시스템은 제어 시스템(2), 가이드 시스템(4), 미분동형사상 변환기(6), 데이터 처리 시스템(7) 및 센서 시스템(12)을 포함하고, 가이드 시스템(4)은 선박의 각 시각에서의 기대 위치, 기대선수 방향 및 기대 속도를 획득하고, 센서 시스템(12)은 위치 및 자세 센서(11)와 속도 센서(10)를 포함하고, 데이터 처리 시스템(7)은 데이터 융합 시스템(9) 및 필터링 시스템(8)을 포함하고, 제어 시스템(2)은 필터링 백스테핑 제어기(3) 및 적응 퍼지 추정기(5)를 포함하며, 적응 퍼지 추정기(5)는 가이드 시스템(4)과 미분동형사상 변환기(6)의 데이터를 동시에 수신하고, 필터링 백스테핑 제어기(3)는 가이드 시스템(4)에서 제공하는 기대정보 및 그 도함수, 미분동형사상 변환기(6)에서 제공한 새로운 상태 변수 정보 및 적응 퍼지 추정기(5)에서 제공하는 미지 비선형 함수에 대한 추정 출력을 동시에 수신한다.The present invention seeks to provide a filtering back stepping ship motion control system based on an adaptive fuzzy estimator. The system comprises a control system 2, a guide system 4, a differential strain transducer 6, a data processing system 7 and a sensor system 12, The sensor system 12 includes a position and orientation sensor 11 and a velocity sensor 10 and the data processing system 7 acquires the expected position of the data fusion system 9, And a filtering system 8 and the control system 2 comprises a filtering back stepping controller 3 and an adaptive fuzzy estimator 5. The adaptive fuzzy estimator 5 comprises a guide system 4 and a non- The filtering back stepping controller 3 receives the data of the converter 6 at the same time, and the filtering back stepping controller 3 receives the expectation information provided by the guide system 4 and its derivative, the new state variable information provided by the differential transformer 6, The unknown linear function provided by the estimator 5 It receives the estimated output at the same time.
Description
본 발명은 선박 운동 제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a ship motion control system.
최근에 풍부한 해양 자원이 각 국의 주목을 받고 있고, 또한 각 국에서도 갈수록 해양 공정 및 해양 개발에 더 많은 관심을 돌리고 있다. 사람들의 해상 활동이 갈수록 빈번해짐에 따라, 선박 제어와 관련된 기술분야가 연구원들의 광범위한 관심을 받고 있고, 선박 항행 방향의 제어, 항행궤적의 제어, 경로 추적 및 동적 위치 제어 기술 등도 제어 분야에서 연구하는 이슈로 되고 있다.In recent years, abundant marine resources have been attracting attention from each country, and more and more countries are increasingly interested in marine processing and marine development. As the maritime activities of people become more and more frequent, the technical field related to ship control has received a wide interest of researchers. Also, ship navigation direction control, navigation track control, route tracking and dynamic positioning control technology are also studied in the control field. It is becoming an issue.
선박 운동 제어기의 설계 과정에서 다수의 비선형 제어 방법은 모두 모형 정보에 기반한 것이나, 일반적으로 정확한 시스템 모형을 구성하는 것은 매우 어려우므로, 모형에 미지(未知)의 정보가 존재하는 경우의 선박 운동을 연구함에 있어서, 적응 퍼지 추정기 기반의 비선형 제어 방법을 기초로 하는 것은 매우 필요하다. 또한, 통상적인 백스테핑(backstepping) 방법으로 제어기를 설계하는 과정에서 매 단계마다 가상 제어량의 도함수를 구하여야 하고, 만약 시스템의 차수(order)가 증가하면 도함수를 구하는 과정을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 시스템의 특성에도 일정한 요구가 있다. 백스테핑 제어기를 설계하는 과정에서 가상 제어량의 도함수를 구하는 단계를 생략하기 위하여, 2차 필터를 도입하여 가상 제어량 및 그 도함수에 근사(approximation)함으로써, 제어기의 설계 절차를 간소화하도록 하고; 필터의 도입도 제어기의 소음에 대한 억제 능력을 향상할 수 있다. 현재 대부분 문헌에 따르면 동적 위치 제어 등 풀드라이버 선박의 운동 제어에 대한 연구는 모두 추진기의 동적 특성을 고려하지 않았고, 다만 제어 명령을 단순히 제어력 및 토크로 직접적으로 선박에 작용하는 것이며, 이는 실제 시스템과 일정한 차이를 갖는다.Although many nonlinear control methods are based on model information in the design process of ship motion controller, it is very difficult to construct an accurate system model in general. Therefore, ship motion in the case where unknown information exists in the model It is very necessary to base the adaptive fuzzy estimator based nonlinear control method. In addition, the derivative of the virtual control amount should be obtained at every step in the process of designing the controller by the conventional backstepping method. If the order of the system increases, the complexity of obtaining the derivative is complicated, There is also a constant demand for the characteristics of the system. To simplify the design procedure of the controller by introducing a second-order filter to approximate the virtual control amount and its derivative to omit the step of obtaining the derivative of the virtual control amount in the process of designing the back stepping controller; The introduction of the filter can improve the suppression ability of the controller against the noise. Most of the current literature reports that dynamic control of a full driver ship, such as dynamic position control, does not take into account the dynamic characteristics of the propeller, but simply acts on the ship directly with control and torque, There is a certain difference.
문헌 검색결과, 화남이공대학 주홍파(Zhou Hongbo) 등이 <<제어 및 전략>>(2012년 제4기)에 발표한 <<필터링 백스테핑 방법에 기초한 무인헬리콥터의 궤적 추적 제어>> 논문에서는 무인헬리콥터에 관련하여 필터링 백스테핑 방법에 따른 궤적 추적 제어기를 설계하였고, 직접 가상 제어량의 도함수를 구하는 대신, 필터를 이용하여 가상 제어량 및 그 도함수에 근사함으로써, 제어기의 설계를 간소화 하였으며; 화남이공대학 하약방(He Yuebang) 등이 <<화남이공대학 학보>>(2013년 제2기)에 발표한 <<무인헬리콥터 강인 적분 필터링 백스테핑 벙법에 따른 비행 제어 설계>> 논문에서는 필터링 백스테핑 방법의 무인헬리콥터 궤적 추적과정에서의 응용에 대하여 깊게 연구를 진행하였고, 적분항 및 강인(Robust)항을 도입하여 폐루프 시스템의 안티재밍(Anti-jamming) 능력을 향상시켰다. 그러나 이상의 연구는 모두 모형의 이미 알고 있는 시스템에 관한 것이다.Based on the results of literature review, Zhou Hongbo et al. In "Control and Strategy" (4th FY 2012), "Trajectory tracking control of unmanned helicopter based on filtering back stepping method" We designed a trajectory tracking controller according to the filtering back stepping method for the unmanned helicopter and simplified the design of the controller by approximating the virtual control amount and its derivative using a filter instead of directly deriving the virtual control amount. He Yuebang et al. (2009) presented a flight control design based on the "unmanned helicopter robust integral filtering back-stepping method" The application of the stepping method to the tracking of the unmanned helicopter trajectory has been extensively studied, and the anti-jamming ability of the closed loop system has been improved by introducing the integral term and the robust term. However, all of the above studies are related to systems already known to the model.
본 발명의 목적은 모형에 미지 비선형 함수가 존재하는 경우에 관련된 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a filtering back stepping ship motion control system based on an adaptive fuzzy estimator which is related to the case where an unknown nonlinear function exists in a model.
본 발명에 따른 제어 시스템(2), 가이드 시스템(4), 미분동형사상(diffeomorphism) 변환기(6), 데이터 처리 시스템(7) 및 센서 시스템(12)을 포함하는 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템에 있어서, 상기 가이드 시스템(4)은 입력된 기대값 및 선박의 초기 위치에 따라 하나의 매끄러운 경로(smoothing path)를 생성하고, 상기 경로에 근거하여 선박의 각 시각에서의 기대 위치, 기대 선수 방향 및 기대 속도를 획득하고, 상기 센서 시스템(12)은 위치 및 자세 센서(11)와 속도 센서(10)를 포함하되, 위치 및 자세 센서(11)에서 수집한 선박의 실제 위치 및 선수 방향각을 속도 센서(10)에서 수집된 선박의 운동속도 정보와 함께 데이터 처리 시스템(7)으로 전달하며, 데이터 처리 시스템(7) 중의 데이터 융합 시스템(9)과 필터링 시스템(8)의 처리를 거쳐 획득한 선박의 저주파 위치 및 자세 정보와 속도 정보를 미분동형사상 변환기(6)로 전달하고, 상태 변화를 거쳐 새로운 상태 변수를 획득하여; 새로운 상태 변수를 제어 시스템(2)의 필터링 백스테핑 제어기(3)와 적응 퍼지 추정기(5)로 전달하며, 적응 퍼지 추정기(5)는 가이드 시스템(4)과 미분동형사상 변환기(6)의 데이터를 동시에 수신하고, 제어기에 필요한 미지 비선형 함수에 대한 추정에는 저주파 간섭에 대한 추정도 포함하며; 필터링 백스테핑 제어기(3)는 가이드 시스템(4)에서 제공한 기대정보 및 그 도함수, 미분동형사상 변환기(6)에서 제공한 새로운 상태 변수 정보 및 적응 퍼지 추정기(5)에서 제공한 미지 비선형 함수에 대한 추정 출력을 동시에 수신하고, 계산을 통하여 상응한 제어 명령 정보를 획득하여, 선박의 종방향 추진력, 횡방향 추진력 및 헤딩(heading) 토크를 조절함으로써, 선박에 대한 정확한 제어를 구현한다.An adaptive fuzzy estimator-based filtering back stepping system including a
또한, 상기 적응 퍼지 추정기(5)는 가이드 시스템(4)과 미분동형사상 변환기(6)의 데이터를 동시에 수신하고, 제어기에 필요한 미지 비선형 함수에 대한 추정은 제어 시스템(2) 중의 적응 퍼지 추정기(5)가 미분동형사상 변환기(6)에서 제공한 새로운 상태 변수 및 가이드 시스템(4)에서 제공한 기대 정보에 근거하여, 주어진 적응 법칙에 따라 퍼지 로직 시스템을 통하여 미지의 비선형 함수 및 저주파 간섭에 대해 통합 추정을 진행함으로써, 필터링 백스테핑 제어기에서 요구하는 비선형 함수를 획득하는 것을 의미한다.The adaptive
또한, 제어 시스템(2) 중의 필터링 백스테핑 제어기(3)에 2차 필터를 도입하고, 필터를 통하여 가상 제어량 및 그 도함수에 근사한다.Further, a second-order filter is introduced into the filtering
또한, 상기 미분동형사상 변환기(6)는 선박의 위치 및 자세 정보와 속도 정보를 전환시켜 새로운 상태 변수 정보를 얻어 해당 정보를 제어 시스템(2)으로 전달한다.The differential
또한, 제어 시스템(2)에서 필터링 백스테핑 제어기(3)는 가이드 시스템(4)에서 제공하는 기대 위치 및 자세와 그 도함수 정보에 따라, 새로운 상태 변수 정보를 결합하고, 미지 비선형 함수의 추정값을 수신하며, 일련의 비선형 계산을 통하여 제어력 및 제어 토크 명령을 생성하고, 추진 시스템을 구동하여 선박의 위치 및 항행 방향을 제어한다.In the
또한, 제어 시스템(2) 중의 필터링 백스테핑 제어기(3)에 2차 필터를 도입하고, 필터를 통하여 가상 제어량 및 그 도함수에 근사한다.Further, a second-order filter is introduced into the filtering
본 발명의 주요한 특징은 아래와 같이 구현된다.The main features of the present invention are implemented as follows.
1) 가이드 시스템(4)은 주어진 기대 목표와 선박의 초기 위치에 의해 하나의 매끄러운 기대 경로를 생성하고, 상기 경로에 근거하여 각 시각에서의 선박의 기대 위치 및 자세와 그 도함수를 획득함으로써, 선박이 등가속, 등속, 등감속 과정을 거쳐 최종적으로 기대하는 선수 방향으로 기대 위치에 안착될 수 있으며; 획득한 기대 위치 및 자세와 그 도함수를 제어 시스템(2)으로 전송함으로써, 미지 비선형 함수를 추정하고 제어 명령을 계산한다.1) The
2) 센서 시스템(12)은 위치 및 자세 센서(11)와 속도 센서(10)로 구분하고, 이러한 센서는 수집한 정보를 데이터 처리 시스템(7)으로 전달함으로써, 처리 과정을 거쳐 필요한 데이터를 획득하도록 한다.2) The
3) 데이터 처리 시스템(7)은 데이터 융합 시스템(9)과 필터링 시스템(8)을 포함하며, 데이터 융합 시스템(9)은 여러 가지 복수의 센서에서 수집한 데이터를 융합하여 대응되는 정보를 획득한 후, 필터링 시스템(8)을 통하여 여과하여 최종적으로 제어 시스템(2)에 이용되는 선박 운동 정보를 획득하여 이를 미분동형사상 변환기(6)로 전달한다.3) The
4) 미분동형사상 변환기(6)는 데이터 처리 시스템(7)에서 제공하는 선박의 위치 및 자세 정보와 속도 정보에 대한 미분동형사상 상태 변화를 통하여 새로운 상태 변수를 획득함으로써, 제어기가 필터링 백스테핑 제어기로 설계되도록 한다.4) The differential
5) 제어 시스템(2)은 적응 퍼지 추정기(5)와 필터링 백스테핑 제어기(3) 두 부분을 포함하고, 적응 퍼지 추정기(5)는 가이드 시스템(4)에서 제공하는 기대정보와 미분동형사상 변환기(6)에서 제공하는 새로운 상태 변수 정보를 수신하고, 일정한 적응 법칙과 상응한 퍼지 시스템을 통해 미지의 비선형 함수를 추정하고, 추정된 비선형 함수를 필터링 백스테핑 제어기(3)로 전달하여 제어 명령을 계산하며; 필터링 백스테핑 제어기(3)는 가이드 시스템(4)에서 제공한 기대정보에 근거하여, 적응 퍼지 추정기(5)에서 제공한 미지 비선형 함수의 추정값 및 미분동형사상 변환기(6)에서 제공한 새로운 상태 변수를 결합시켜 일련의 비선형 제어 알고리즘의 계산을 통하여 적합한 제어 명령을 획득하여, 선박의 실행 장치를 구동하고, 선박의 위치 및 속도를 조절함으로써 제어 목적을 달성하도록 한다.5) The
제어 시스템(2)의 필터링 백스테핑 제어기(3)는 가상 제어량의 도함수를 구할 필요 없이, 제어기 설계 과정에서 2차 필터 기술을 도입하여 필터를 통해 가상 제어량 및 그 도함수에 근사함으로써, 제어기의 설계를 단순화하였을 뿐만 아니라, 제어기의 소음 억제 능력도 향상하였다.The filtering back
본 발명의 장점은 정확한 선박 운동의 수학적 모형을 알 필요없이 선박 운동에 대한 정확한 제어를 구현할 수 있는 것이다. 본 발명의 설계에 따른 적응 퍼지 추정기는 모형 중 미지의 비선형 함수를 추정할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 저주파수 간섭에 대한 추정 절차도 포함하므로 시스템의 간섭에 대한 강인 성능(robust performance)을 향상하였으며; 필터링 백스테핑 방법에서는 필터를 도입하여 가상 제어량 및 그 도함수에 근사하는 것을 통해 통상적인 백스테핑 방법에서의 가상 제어량의 도함수를 구하는 절차를 대체함으로써, 제어기의 형태를 단순화하고, 설계 과정을 간소화 하였다. 그리고 필터의 도입도 제어기의 소음 억제 능력을 향상하였다.An advantage of the present invention is that accurate control of ship motion can be realized without needing to know a mathematical model of accurate ship motion. The adaptive fuzzy estimator according to the design of the present invention not only estimates the unknown nonlinear function in the model but also includes an estimation procedure for external low frequency interference, thereby improving robust performance against interference of the system; The filtering back stepping method simplifies the form of the controller and simplifies the designing process by replacing the process of obtaining the derivative of the virtual control amount in a typical back stepping method by introducing a filter to approximate the virtual control amount and its derivative. The introduction of the filter also improved the noise suppression ability of the controller.
도 1은 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템의 전체적인 구성도이다.
도 2는 필터링 백스테핑 제어기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 적응 퍼지 시스템의 멤버십 함수(Membership function) 곡선을 나타내는 도면이다.
도 4는 위치 및 선수 방향 추적 오차 곡선을 나타내는 도면이다.
도 5는 제어기의 제어 명령 곡선을 나타내는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall block diagram of a filtering back stepping ship motion control system based on an adaptive fuzzy estimator.
2 is a diagram showing a configuration of a filtering back stepping controller.
3 is a diagram showing a membership function curve of the adaptive fuzzy system.
4 is a view showing a position and a heading tracking error curve.
5 is a diagram showing a control command curve of the controller.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명에 따른 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템의 전체적인 구성을 제시하였고, 도 1에서 각 도면의 부호가 나타내는 의미는 아래와 같다. 즉 1 - 환경 간섭; 2 - 제어 시스템; 3 - 필터링 백스테핑 제어기; 4 - 가이드 시스템; 5 - 적응 퍼지 추정기; 6 - 미분동형사상(diffeomorphism) 변환기; 7 - 데이터 처리 시스템; 8 - 필터링 시스템; 9 - 데이터 융합 시스템; 10 - 속도 센서; 11 - 위치 및 자세(position pose) 센서; 12 - 센서 시스템; 13 - 박을 나타낸다.FIG. 1 shows the overall configuration of a filtering back stepping ship movement control system based on an adaptive fuzzy estimator according to the present invention. In FIG. 1, the symbols have the following meanings. 1 - environmental interference; 2 - control system; 3 - filtering back stepping controller; 4 - Guide system; 5 - adaptive fuzzy estimator; 6 - differential diffeomorphism transducer; 7 - Data Processing System; 8 - Filtering system; 9 - Data fusion system; 10 - speed sensor; 11 - position and position sensor; 12 - Sensor system; 13 - represents the night.
도 1을 결합하면, 본 발명에 따른 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템은 제어 시스템(2), 가이드 시스템(4), 미분동형사상 변환기(6), 데이터 처리 시스템(7), 센서 시스템(12)을 포함한다. 센서 시스템(12) 중의 위치 및 자세 센서(11)는 선박의 실제 위치 및 자세 정보를 수집하고, 이를 속도 센서(10)에서 수집된 선박의 운동 정보와 함께 패킹(packing)하여 데이터 처리 시스템(7)으로 전달하며, 이러한 데이터는 데이터 융합 시스템(9)과 필터링 시스템(8)의 처리를 거친 후, 제어 시스템(2)에 응용되는 선박의 위치 및 자세 정보와 속도 정보를 획득하고; 처리를 거친 후의 데이터는 미분동형사상 변환기(6)로 전달되고, 상태 변화를 거쳐 백스테핑 설계를 진행하도록 새로운 상태 변수를 획득하고; 이러한 새로운 변수를 제어 시스템(2)의 필터링 백스테핑 제어기(3)와 적응 퍼지 추정기(5)로 전달하여 제어 시스템에서 상응한 계산을 진행하도록 하고; 적응 퍼지 추정기(5)는 가이드 시스템(4)과 미분동형사상 변환기(6)의 데이터를 동시에 수신하고, 제어기에 필요한 미지 비선형 함수에 대한 추정에는 저주파 간섭에 대한 추정도 포함하며; 필터링 백스테핑 제어기는 가이드 시스템(4)에서 제공한 기대정보 및 그 도함수, 미분동형사상 변환기(6)에서 제공한 새로운 상태 변수 정보 및 적응 퍼지 추정기(5)에서 제공한 미지 비선형 함수에 대한 추정 출력을 동시에 수신하고, 일련의 계산을 통하여 상응한 제어 명령 정보를 획득하여, 선박의 종방향 추진력, 횡방향 추진력 및 헤딩 토크(heading torque)를 조절함으로써, 선박에 대한 정확한 제어를 구현한다.1, a filtering back stepping vessel motion control system based on an adaptive fuzzy estimator according to the present invention includes a
1) 가이드 시스템(4)은 설정된 기대값(η d) 및 선박의 초기 위치에 따라 하나의 매끄러운 경로(smoothing path)를 자동 생성하고, 상기 경로에 근거하여 선박이 등가속, 등속 및 등감속 과정을 거쳐 지정한 위치로 도달할 수 있도록 선박의 각 시각에서 필요한 기대 위치(xd, yd)와 기대 선수 방향(ψd) 및 그 도함수( 및 ) 를 획득할 수 있다. 편이를 위하여, , 로 표기할 수 있다.1) The
2) 센서 시스템(12)은 위치 및 자세 센서(11)와 속도 센서(10)를 포함하고, 각각 선박의 실제 위치와 실제 선수각(Heading Angle) 및 속도 정보를 수집한다. 선박의 위치 및 자세 정보와 속도 정보는 데이터 처리 시스템(7)으로 전달되고, 데이터 융합 시스템(9)과 필터링 시스템(8)의 처리를 거친 후 제어 시스템(2)에 응용될 수 있는 선박의 위치 및 자세 정보()와 속도 정보()를 획득하고; 처리를 거친 데이터는 미분동형사상 변환기(6)로 전달되어 상태 변화되며, 좌표적 변환()을 통해 새로운 변수(x 1, x 2)를 획득하고, 이들로 기존의 시스템과 동등한 새로운 모형을 구성한다. 새로운 모형의 수요를 만족시키기 위하여, 새로운 기대 위치 및 자세와 속도를 , 로 표기한다.2) The
기존 시스템의 모형은 아래와 같다: The model of the existing system is as follows:
상기 관계식에서 η는 선박의 위치 및 선수 방향 벡터를 나타내고, ν는 선박의 속도 벡터를 나타내고, b는 저주파 간섭 능력을 나타내고, J(η)는 선체 좌표계와 측지 좌표계 사이의 변환 행렬(matrix)을 나타내고, M은 시스템 관성 행렬을 나타내며, C(ν)는 코리올리(coriolis) 원심력 행렬을 나타내고, D(ν)는 감쇠 행렬을 나타내고, τ는 제어 벡터를 나타내며, τ e는 제어 명령 벡터를 나타내고, 와 는 실행 장치와 관련되는 계수 행렬을 나타낸다.In the above relation, η denotes the ship's position and bow direction vector, ν denotes the ship's velocity vector, b denotes low frequency interference capability, and J (η) denotes a transformation matrix between the ship's body coordinate system and the geodesic coordinate system. D denotes a damping matrix, τ denotes a control vector, τ e denotes a control command vector, M denotes a system inertia matrix, C (ν) denotes a coriolis centrifugal force matrix, D (ν) denotes a damping matrix, Wow Represents the coefficient matrix associated with the execution unit.
미분동형사상 변화를 거친 후 획득한 등가 시스템은 아래와 같다:The equivalent system obtained after differential differential crimp change is as follows:
상기 관계식중, Among the above relational expressions,
3) 상기에서 획득한 등가 모형에 근거하여 아래의 필터링 백스테핑 제어기를 설계한다:3) Design the following filtering back stepping controller based on the equivalent model obtained above:
그 중, 은 2차 필터의 출력을 나타내고, 이는 각 가상 제어량에 근사하기 위한 것이며, 그 도함수인 도 2차 필터에 의해 출력된다.among them, Represents the output of the second-order filter, which is to approximate each virtual control amount, and its derivative Is also output by the secondary filter.
이 때 각 가상 제어량의 기대값은 아래와 같다:Here, the expected value of each virtual control amount is as follows:
그 중, 이며; k i(i = 1, 2, 3)는 제어 이득 행렬(양한정 대각 행렬)을 나타내고; ν i(i = 1, 2, 3)는 각 추적 오차에 따른 보상 벡터를 나타내고, 아래와 같이 정의된다.among them, ; k i (i = 1, 2, 3) represents the control gain matrix (positive definite diagonal matrix); ν i (i = 1, 2, 3) represents a compensation vector according to each tracking error, and is defined as follows.
그 중, 벡터 는 아래와 같이 정의된다. Among them, vector Is defined as follows.
상기 관계식에서 g 1 = 1,g 2 = M η -1,g 2 = B, 또한 의 초기값은 0( ,i = 1, 2)이며, 이다. 이때 제어 법칙은, G 1 = 1, g 2 = M ? -1 , g 2 = B , and The initial value of 0 ( , I = 1, 2) to be. At this time,
τ e = α 3이며, τ e = α 3 ,
제어기 설계 과정에 필요한 와 (i = 1, 2, 3)는 아래와 같이 정의된다.Controller design process Wow (i = 1, 2, 3) is defined as follows.
1) i = 1일 경우, , ;1) When i = 1, , ;
2) i = 2, 3일 경우, 와 는 필터에서 출력된다.2) When i = 2, 3, Wow Is output from the filter.
유의할 점: 은 설정된 위치 확인 타겟 를 의미하고, 는 설정된 추적 속도 를 의미한다.Please note: Is set to a configured location target Lt; / RTI > Lt; / RTI > .
각 필터를 아래와 같이 정의할 수 있다.Each filter can be defined as follows.
상기 관계식에서, I는 3차 단위 행렬을 나타낸다. 보다시피, α (i-1)c가 유계일 경우, 와 는 유계이며 연속된다.In the above relation, I represents a cubic unit matrix. As can be seen, when ? (I-1) c is a constant, Wow And is continuous.
4) 상기 설계는 모두 모형의 파라미터가 이미 알려진 전제 하에서 진행한 것이지만, 일반적으로 모형의 파라미터를 모르거나 일부분의 파라미터 모를 경우, 모형을 기초로 제어기를 설계하려면 매우 어렵다. 모형의 파라미터가 미지인 문제를 해결하기 위하여 적응 퍼지 시스템을 도입하여 제어기에 필요한 미지 비선형 함수를 추정한다.4) All of the above-mentioned designs proceed under the assumption that the parameters of the model are already known, but it is very difficult to design the controller based on the model, in general, when the parameters of the model are unknown or some parameters are unknown. The adaptive fuzzy system is introduced to solve the unknown parameter problem of the model, and the unknown nonlinear function required for the controller is estimated.
퍼지 규칙 베이스(rule base)에 N개의 규칙이 존재한다고 가정하면, 제i 번째는 아래의 형식을 갖는다. Assuming that there are N rules in the fuzzy rule base, the i-th has the following form.
Ri: IF x1 is μ1 i and … and xn is μn i, then y is Bi (i=1, 2,…, N) R i : IF x 1 is μ 1 i and ... and x n is μ n i, then y is B i (i = 1, 2, ..., N)
그 중, μn i는 xn(n=1, 2,…, N)의 멤버십 함수(membership function)이다.Among them, μ n i is a membership function of x n (n = 1, 2, ..., N).
그렇다면, 퍼지 시스템의 출력은 아래와 같이 나타낼 수 있다:If so, the output of the fuzzy system can be expressed as:
상기 관계식에서 , 를 퍼지 추정 파라미터 벡터로 정의하고,In the above relationship , Is defined as a fuzzy estimation parameter vector,
인 관계를 만족한다. Lt; / RTI >
제어기에서 요구하는 미지 비선형 함수(f)에 근사하기 위하여, 적응 퍼지 시스템을 이용하여 f의 매개 원소에 순차적으로 근사할 수 있다. 즉,In order to approximate the unknown nonlinear function (f) required by the controller, the adaptive fuzzy system can be used to approximate the median elements of f sequentially. In other words,
그 중, 비선형 함수(f)의 근사 함수(φ)는 아래와 같이 정의할 수 있다.Among them, the approximate function (?) Of the nonlinear function (f) can be defined as follows.
그 중, , 이다.among them, , to be.
최적 추정 벡터를 θ * 로 정의하고, 또한 주어진 임의의 작은 양의 값(ε(ε>0))에 대하여 아래의 조건을 만족한다.The optimal estimation vector is defined as θ * and also satisfies the following condition for a given small positive value (ε (ε> 0)).
그 중, 이다.among them, to be.
일 경우, 적응률은 아래와 같이 선택된다. , The adaptation rate is selected as follows.
(i = 1, 2, 3) (i = 1, 2, 3)
그 중, ri>0, ki>0은 설계 파라미터이고, ν2i는 ν 2의 제i 번째 원소이다.Where r i > 0, k i > 0 are design parameters and ν 2i is the i-th element of ν 2 .
, 일 경우, 이를 아래와 같이 정의한다. , , It is defined as follows.
, ,
그 중, I n은 n차 단위 행렬이다. 그렇다면, 적응률을 벡터 형태로 표시하면 아래와 같다.Among them, I n is an n-order unitary matrix. If so, the adaptation rate can be expressed in vector form as follows.
그러므로 제어 시스템(2)은 τ e = α 3인 공식에 의거하여 제어 명령을 산출하고, 선박의 위치 및 선수 방향을 제어할 수 있다.Therefore, the
본 발명에서는 어느 수상함(surface ship)의 비선형 수학 모형을 응용하여 시뮬레이션 실험을 진행하고, 시뮬레이션 실험에 따른 선박 모형의 파라미터는 아래와 같다.In the present invention, simulation experiments are carried out by applying a nonlinear mathematical model of a surface ship, and the parameters of the ship model according to the simulation experiment are as follows.
그 중, among them,
, ,
, ,
이다. to be.
시뮬레이션 과정에서 아래와 같은 간섭 및 불확실한 파라미터를 추가하고,In the simulation process, we add the following interference and uncertain parameters,
그 중, "*" 로 표기된 파라미터는 공칭(nominal) 모형 파라미터이다.Among them, the parameter marked with "* " is a nominal model parameter.
상기 파라미터의 초기 위치 좌표는 (0m,0m,0deg)이고, 초기속도는 (0m/s,0m/s,0deg/s)이며, 기대 위치는 (2m,1m,5deg)이다. 시뮬레이션 결과는 도 3 내지 도 5를 참조한다.The initial position coordinates of the parameter are (0m, 0m, 0deg), the initial velocity is (0m / s, 0m / s, 0deg / s) and the expected position is (2m, 1m, 5deg). The simulation results refer to Figs. 3 to 5.
시뮬레이션 곡선 및 데이터 분석을 통하여 본 발명에서 제시한 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박의 운동 제어기의 작용 하에서, 선박은 모형 파라미터의 불확실한 특성에 따른 영향을 극복할 수 있고, 외부로부터의 간섭이 존재할 경우, 가이드 시스템에서 제공하는 기대 위치를 신속하게 추적하여 주어진 선수 방향을 유지하며, 비교적 원활한 제어력의 작용 하에 원하는 제어 효과를 달성할 수 있음을 알 수 있다. 이는 상기 설계된 적응 퍼지 추정기가 선박 모형의 미지 비선형 함수 및 간섭에 대해 비교적 양호한 추정을 할 수 있고, 필터링 백스테핑 방법 중의 필터는 가상 제어량 및 그 도함수에 매우 잘 근사할 수 있어, 통상적인 백스테핑 방법에서 가상 제어량에 대하여 도함수를 구하는 과정을 생략하여, 제어기의 설계 과정을 간소화한다는 것을 보여준다. 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있는 바, 본 발명에 따른 제어 법칙은 글로벌 점근 추적 특성을 갖고, 모형 파라미터 불확실성 및 모형화되지 않는 다이나믹스(unmodeled dynamics)에 대해 비교적 양호한 강인성을 갖고 있다.Under the function of the motion controller of the filtering backstepping ship based on the adaptive fuzzy estimator proposed in the present invention through the simulation curve and data analysis, the ship can overcome the influence of the uncertain characteristics of the model parameter and the interference from the outside It can be seen that the expected position provided by the guide system can be quickly tracked to maintain a given bow direction and achieve the desired control effect under the action of a relatively smooth control force. This means that the designed adaptive fuzzy estimator can make a relatively good estimation of the unknown nonlinear function and interference of the ship model and the filter in the filtering back stepping method can be very close to the virtual control amount and its derivative, The process of obtaining the derivative of the virtual control amount is omitted, thereby simplifying the design process of the controller. As can be seen from the simulation results, the control law according to the present invention has global asymptotic tracking characteristics and has relatively good robustness against model parameter uncertainty and unmodeled dynamics.
Claims (3)
상기 가이드 시스템(4)은 입력된 기대값 및 선박의 초기 위치에 근거하여 하나의 매끄러운 경로를 생성하고, 상기 경로에 따라 선박의 각 시각에서의 기대 위치, 기대 선수 방향 및 기대 속도를 획득하며; 상기 센서 시스템(12)은 위치 및 자세 센서(11)와 속도 센서(10)를 포함하되, 위치 및 자세 센서(11)에서 수집한 선박의 실제 위치 및 선수 방향각을 속도 센서(10)에서 수집된 선박의 운동속도 정보와 함께 데이터 처리 시스템(7)으로 전달하며, 데이터 처리 시스템(7) 중의 데이터 융합 시스템(9)과 필터링 시스템(8)의 처리를 거쳐 획득한 선박의 저주파 위치 및 자세 정보와 속도 정보를 미분동형사상 변환기(6)로 전달하고, 상태 변화를 거쳐 새로운 상태 변수를 획득하여; 새로운 상태 변수를 제어 시스템(2)의 필터링 백스테핑 제어기(3)와 적응 퍼지 추정기(5)로 전달하며, 적응 퍼지 추정기(5)는 가이드 시스템(4)과 미분동형사상 변환기(6)의 데이터를 동시에 수신하고, 제어기에 필요한 미지 비선형 함수에 대한 추정에는 저주파 간섭에 대한 추정도 포함하며; 필터링 백스테핑 제어기(3)는 가이드 시스템(4)에서 제공한 기대 위치, 기대 선수 방향, 기대 속도, 미분동형사상 변환기(6)에서 제공한 새로운 상태 변수 정보 및 적응 퍼지 추정기(5)에서 제공한 미지 비선형 함수에 대한 추정 출력을 동시에 수신하고, 계산을 통하여 상응한 제어 명령 정보를 획득하여, 선박의 종방향 추진력, 횡방향 추진력 및 헤딩 토크를 조절함으로써, 선박에 대한 정확한 제어를 구현하는 것을 특징으로 하는 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템.1. An adaptive fuzzy estimator based filtering back stepping ship motion control system comprising a control system (2), a guidance system (4), a differential strain transducer (6), a data processing system (7) and a sensor system (12)
The guide system 4 generates one smooth path based on the input expected value and the initial position of the ship and acquires the expected position, expected bow direction and expected speed at each time of the ship in accordance with the route; The sensor system 12 includes a position and orientation sensor 11 and a velocity sensor 10 that collects in the velocity sensor 10 the actual position and heading angle of the ship, Frequency position and attitude information of the ship obtained through the processing of the data fusion system 9 and the filtering system 8 in the data processing system 7 together with the moving speed information of the ship, And velocity information to differential differential transducer 6 and acquires a new state variable via state transitions; The adaptive fuzzy estimator 5 transmits the new state variable to the filtering back stepping controller 3 and the adaptive fuzzy estimator 5 of the control system 2. The adaptive fuzzy estimator 5 receives the data of the guide system 4 and the differential- Estimates of the unknown nonlinear function required by the controller include estimates of low frequency interference as well; The filtering back stepping controller 3 calculates the predicted position, the expected head direction, the expected speed provided by the guide system 4, the new state variable information provided by the differential decelerating transformer 6, By receiving the estimated output for the unknown nonlinear function at the same time, obtaining the corresponding control command information through calculation, and by adjusting the longitudinal thrust, the lateral thrust and the heading torque of the ship, Adaptive Fuzzy Estimator Based Filtering Backstepping Ship Motion Control System.
상기 적응 퍼지 추정기(5)는 가이드 시스템(4)과 미분동형사상 변환기(6)의 데이터를 동시에 수신하고, 제어기에 필요한 미지 비선형 함수에 대한 추정은 제어 시스템(2) 중의 적응 퍼지 추정기(5)가 미분동형사상 변환기(6)에서 제공한 새로운 상태 변수 및 가이드 시스템(4)에서 제공한 기대 정보에 근거하여, 주어진 적응 법칙에 따라 퍼지 로직 시스템을 통하여 미지의 비선형 함수 및 저주파 간섭에 대해 통합 추정을 진행함으로써, 필터링 백스테핑 제어기에서 요구하는 비선형 함수를 획득하는 것을 의미하는 것을 특징으로 하는 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템.The method according to claim 1,
The adaptive fuzzy estimator 5 simultaneously receives the data of the guidance system 4 and the differential decelerating transducer 6 and the estimation of the unknown nonlinear function required by the controller is performed by the adaptive fuzzy estimator 5 in the control system 2, Based on the new state variables provided by the differential transformer 6 and the expected information provided by the guidance system 4, the integrated nonlinear function and the low frequency interference are estimated through the fuzzy logic system according to a given adaptive law To the filtering back stepping controller, thereby obtaining a non-linear function required by the filtering back stepping controller.
제어 시스템(2) 중의 필터링 백스테핑 제어기(3)에 2차 필터를 도입하고, 필터를 통하여 가상 제어량 및 그 도함수에 근사하는 것을 특징으로 하는 적응 퍼지 추정기 기반의 필터링 백스테핑 선박 운동 제어 시스템.3. The method according to claim 1 or 2,
Introducing a second filter to the filtering back stepping controller (3) in the control system (2), and approximating the virtual control amount and its derivative through a filter, the filter back stepping vessel motion control system based on the adaptive fuzzy estimator.
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