[发明专利]基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法

说明书

本发明公开了基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，包括以下步骤：1)得出船舶航行数学模型，建立其运动方程，并采集相关参数；2)根据步骤1)中的运动方程，结合张动力学方法，得出船舶航向跟踪控制器，实现对船舶航向的跟踪控制；3)在步骤2)的基础上引入双变量S函数，结合梯度动力学方法实现输入量可限的船舶航向跟踪控制。本发明提供了一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，在实现对船舶航向跟踪控制的同时达到输入量可限的目的。

技术领域

本发明涉及船舶航向控制领域，更具体地，涉及一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法。

背景技术

船舶作为一种重要的交通工具，在航行的过程中会受到很多外界因素，比如风、浪、流等的影响，易逐渐偏离预定的航行轨迹，因此，船舶的航向控制，作为一个复杂的问题，直接影响到船舶的操纵性能，是船舶操纵运动控制领域以及海洋工程领域重要的问题。随着船舶向着大型化、高速化和自动化方向发展，对于船舶的操纵性能的要求也越来越高，为了提高船舶航行的精确性、安全性和经济性，研究人员提出了多种先进的船舶运动控制策略。

以往的研究多涉及对船舶航向的跟踪控制，但是没有考虑到现实情况下的物理约束问题。由于在实际应用中，执行器受到物理限制会产生输入饱和现象，而输入饱和现象会引起输出误差增大，控制器跟踪性能下降等问题。因此，在实现船舶航向跟踪控制的同时将输入量控制在可限范围内对于船舶操纵运动控制是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是解决上述一个或多个缺陷，提出一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种基于双变量S函数的输入量可限的船舶航向跟踪控制方法，包括如下步骤：

S1.得出船舶航行数学模型，建立其运动方程，并采集相关参数；

S2.根据步骤S1中的运动方程，结合张动力学方法，得出船舶航向跟踪控制器，实现对船舶航向的跟踪控制；

S3.由于在实际应用中，执行器受到物理限制会产生输入饱和现象，而输入饱和现象会引起输出误差增大，控制器跟踪性能下降等问题。因此，在步骤S2的基础上引入双变量S函数，结合梯度动力学方法，实现输入量可限的船舶航向跟踪控制。

更进一步，步骤S1得出船舶航行的数学模型，建立其运动方程：

其中，为船舶航向角，r为偏航率，δ为船舶舵角，y(即船舶航向角)为船舶航向控制系统的输出，上述变量中均省略了作为自变量的时间变量t；采集船舶相关参数：时间常数T、方向舵增益K、Norrbin系数η用于确定f。

步骤S2中，结合张动力学，得出船舶航向跟踪控制器：使得实际的输出y(即实际航向角)成功跟踪理想的输出y_d(即理想航向角)，实现对船舶航向的跟踪控制，其中，y_d表示理想的输出(即理想航向角)。

进一步地，基于步骤S3，引入了双变量S函数，其表达式为

其中，v和μ为S函数的两个输入变量，α为S函数的幅值参数。令步骤S2中采用张动力学后得到的跟踪控制器进一步地，结合梯度动力学方法，可得到双变量的输入量可限的船舶航向跟踪控制器组如下：

其中，为能量函数，γ为梯度动力学的设计参数，θ₀为控制系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：