[发明专利]基于扰动观测器的全局有限时间航迹跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于扰动观测器的全局有限时间航迹跟踪控制方法。涉及专利分类号G05控制；调节G05B一般的控制或调节系统；这种系统的功能单元；用于这种系统或单元的监视或测试装置G05B13/00自适应控制系统，即系统按照一些预定的准则自动调整自己使之具有最佳性能的系统G05B13/02电的 G05B13/04包括使用模型或模拟器的。

背景技术

在非线性控制领域里，有限时间控制方法由于其快速收敛性而得到了广泛研究。常用的有限时间控制算法包括加幂积分、终端滑模等。另外，有学者证明，在系统渐进稳定的基础上，若能够证明其齐次度小于零，那么闭环系统可以达到有限时间稳定的控制效果。

传统的基于齐次度小于零的有限时间控制方法并不能够对外部时变不确定扰动进行处理，当系统外部扰动较大时，系统鲁棒性较差，控制性能下降。该发明通过引入有限时间扰动观测器，使得系统能够有效辨识外部不确定扰动，并且闭环系统满足全局有限时间稳定的控制效果，提高了控制系统的鲁棒性。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种基于扰动观测器的全局有限时间航迹跟踪控制方法，具有如下步骤：

—建立表示当前船舶运动特性的水面船舶运动方程和期望船舶航向模型，所述水面船舶运动方程中带有转置矩阵R(ψ)；

—经过坐标转换，将所述水面船舶运动方程和期望船舶航向模型转换成标准二阶非线性控制系统；

—分析得到二阶非线性控制系统中的误差系统；

—在外部扰动满足如下条件时：

其中，n为正整数，H_i＝diag(h_i,1,h_i,2,h_i,3)，且h_i,j(j＝1,2,3)为正实数；

给出有限时间航迹控制律和对应的扰动观测器，完成航迹跟踪控制；

所述的航迹控制率如下：

式中，H是扰动观测器设计参数，H＝diag(h₁,h₂,h₃)，满足 h₁>0,h₂>0,h₃>0；和是由扰动观测器推导得到的扰动观测器状态量；

所述扰动观测器如下：

式中：

其中，τ由航迹控制率式推导得到，Τ_i＝diag(T_i,1,T_i,2,T_i,3)(i＝0,1,…,n-1)为扰动观测器设计参数，并且而α_i＝1+(i+1)θ，α_i>0，θ∈(-1/(n+1)，0)。

作为优选的实施方式，所述的当前水面船舶运动方程：

式中：η＝[x,y,ψ]^T表示水面船舶在地球坐标系下的位置(x,y)和方向角(ψ)，ν＝[u,v,r]^T表示船舶的线速度(u_,v)和角速度(r)，M为船舶质量，满足M＝M^T>0， C(ν)为科里奥利向心力矩阵，D(ν)为阻尼矩阵，τ＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T是控制输入， d＝[d₁,d₂,d₃]^T是外部扰动，R(ψ)是一个转置矩阵，表示为：

R(ψ)有如下性质：

性质1：R^T(ψ)R(ψ)＝I；

性质2：对任意的ψ，有和R^T(ψ)S(r)R(ψ)＝R(ψ)S(r)R^T(ψ)＝S(r)，并且

作为优选的实施方式，船舶期望航向如下：

其中，η_d＝[x_d,y_d,ψ_d]^T和ν_d＝[u_d,v_d,r_d]^T是期望船舶运动状态。

附图说明