[发明专利]一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法。首先利用二阶跟踪微分器优化明轮船航向的过渡过程,跟踪输入信号和输入信号的微分信号；再由观测到的输出信号和被控对象的输入信号通过扩张状态观测器确定出明轮船航向系统的内部状态信息；将跟踪到的输入信号和观测到的输出信号之间的误差,以及跟踪到的输入信号的微分信号和观测到的输出信号的微分信号之间的误差,通过非线性状态误差反馈控制律计算得到一个非线性状态误差反馈控制量；最后将得到的非线性状态误差反馈控制量以及扩张状态观测器扩张出来的扰动估计值得出最终控制量。明轮船航向自抗扰控制器使明轮船航向控制过程快速、平滑，实现高精度的明轮船航向保持控制。

技术领域

本发明涉及明轮船航向控制领域，特别设计一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法。

背景技术

我国是一个水产养殖大国，随着经济发展和人民生活水平的提高，丰富的水产品不仅大幅度改善了人民的生活，也使水产养殖业成为国民经济的支柱产业之一。由于国内的水产养殖通常位于近海或者内河水域，水浅、水下植被较多、水情较为复杂，开发和设计具有低速机动性好、吃水浅的水面作业平台是必然的选择。在水产养殖行业，由于工作环境的限制，水面作业装备通常处于低速运动状态，无需高速运动。此时舵控方向的螺旋桨船舶不能有效控制其航向和航迹，螺旋桨容易被水生植物缠绕，搅断各类植物，造成水体污染，影响水质。因此，用于均匀投饵作业的水产养殖明轮船具有重要的实用价值。水产养殖明轮船导航控制系统中，船体的航向控制是其中的关键环节，能否控制船体严格按照设定航向航行会直接地影响饵料投放的均匀度，一种精确的航向控制方法可以增强导航控制系统的实时性，提高水产养殖明轮船的工作效率。

目前已有一些明轮船航向控制方法,但都存在着一些不足,如申请号为201610095261.5的专利“一种水产养殖作业船自动导航路径跟踪方法”利用PD模块对明轮船的航向进行控制，很难消除外部干扰对明轮船航向的影响。采用自抗扰技术的航向控制器可以精确地估计出外部扰动，从而达到高精度的航向控制。

发明内容

本发明主要为了解决已有水产养殖作业船转向控制精度低的问题，目的在于提供一种参数适应性强，保证高精度控制的水产养殖明轮船航向控制方法。

本发明所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖船航向控制方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤一、二阶跟踪微分器优化水产养殖明轮船航向的过渡过程,跟踪输入信号和输入信号的微分信号；

步骤二、由观测到的输出信号和被控对象的输入信号通过扩张状态观测器确定出明轮船航向系统的内部状态信息；

步骤三、将由跟踪到的输入信号和观测到的输出信号之间的误差,以及跟踪到的输入信号的微分信号和观测到的输出信号的微分信号之间的误差,通过非线性状态误差反馈控制律计算得到一个非线性状态误差反馈控制量；

步骤四、由得到的非线性状态误差反馈控制量以及扩张状态观测器扩张出来的扰动估计值得出最终控制量，即航向调整量；

步骤五、由得到的航向调整量通过明轮船航向控制系统生成左右明轮的转向转速。

自抗扰航向控制器模块采用跟踪微分器，其作用是可以使系统输入光滑的输入信号，并提取输入信号的微分信号，避免因航向角设定值突变造成跟踪到的输入信号剧烈变化而产生超调。跟踪微分器的离散算法为

fhan函数的算法公式为

式中fhan函数为最速控制综合函数，d、d₀、y、a₀、a为fhan函数内部变量，v为明轮船给定航向，v₁对所述信号v进行快速无超调跟踪，同时v₂跟踪所述信号v的微分信号，r、h为跟踪微分器需要设定的参数。