[发明专利]一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法

说明书

本发明公开了一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法，属于舰船运动控制领域；本发明首先定义系统输出约束函数；然后将航向系统的期望输出量y^*(k)与实际输出量y(k)相减得到误差e(k)；当误差e(k)超过设定的航向状态偏差的阈值e₀时，通过变输出约束式无模型自适应控制方法根据e(k)解算出期望舵角u_m(k)；然后操纵机构接收并执行航向系统输入指令u(k)，令k＝k+1，更新舰船航向ψ(k)。本发明以的形式为例，通过变输出约束函数的引入，降低了输出重定义无模型自适应控制方法对重定义系数的敏感性，同时提高了系统的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及舰船运动控制领域，具体涉及一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法。

背景技术

舰船的航向控制对于舰船系统来说非常重要，只有保证了舰船的航向稳定，才能有效的跟踪期望航迹。目前在实际工程应用中，舰船的航向控制基本上采用的是PID控制算法以及常规的基于“模型导向”设计策略开发的控制算法。PID控制器是一种基于离线数据的数据驱动控制算法，但舰船运行于海洋环境中时容易受到模型摄动、海洋环境干扰力等影响，导致PID控制器难以维持一致的控制效果，需要重新调整参数才能使系统保持良好控制性能或稳定。而基于“模型导向”设计策略开发的控制器，严重地依赖于系统数学模型，由于获得精确的数学模型十分困难，存在未建模动态、模型摄动等影响导致系统的自适应较差，难以保证系统鲁棒性能，从而很难在工程中获得应用。

在文献“Heading MFA control for unmanned surface vehicle with angularvelocity guidance”中，作者提出一种串级控制方法通过角速度制导的方式间接控制无人艇的航向。但控制器结构复杂，控制器参数多、参数整定困难。申请日2018年09月5日，申请号201811031878.6，发明名称“一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型控制方法”通过将比例控制与紧格式无模型自适应方法相结合实现对舰船航向控制的目的，但比例控制没有自适应性。申请日2018年02月2日，申请号201810106120.8，发明名称为“一种重定义输出式无模型自适应航向控制算法”，把舰船航向系统的输出重定义为舰船航向与角速度线性和的形式，从而使得舰船的航向系统满足无模型自适应理论对受控系统拟线性假设条件的要求。但该算法的控制性能对重定义系数敏感，鲁棒性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法。通过提出系统输出约束函数u_p(k)＝f(y*(k+1),y(k))，从而限制舰船航向系统在不同时刻的输出上下限。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括下列步骤：

一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法，包括如下步骤：

步骤一：定义系统输出约束函数u_p(k)＝f(y*(k+1),y(k))，该约束函数包括线性、非线性等形式本发明中取其中y(k)＝ψ(k)+K_r×r(k)为k时刻航向系统的实际输出，y^*(k+1)＝ψ^*(k+1)+K_r×r^*(k+1)为k+1时刻航向系统的期望输出，ψ(k+1)，r(k+1)分别为k+1时刻舰船的实际航向和航向角速度，ψ^*(k)，r^*(k)分别为k时刻舰船的期望航向和期望航向角速度；

步骤二：将航向系统的期望输出量y^*(k)与实际输出量y(k)相减得到误差e(k)，当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e₀，则认为舰船的实际航向收敛到期望航向并跳出循环否则执行步骤四，否则执行步骤三；

步骤三：变输出约束式无模型自适应控制方法根据e(k)解算出期望舵角u_m(k)；