[发明专利]一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈控制方法及系统

权利要求书

1.一种智能船舶自动舵系统的模糊自适应输出反馈控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将采集到的航向信息传送给船载计算机，船载计算机考虑船舶稳态回转非线性特性和自动舵系统中舵角输入有界特性，建立有关航向角和受限舵角的智能船舶自动舵系统数学模型，所述航向信息包括根据船舶舵机测量的舵角数据和罗经测量的当前航向角数据，其中航向角的变化率信息为不可测得；

S2、利用模糊逻辑系统的通用逼近原理，对自动舵系统中的未知非线性函数进行逼近，并设计用于估计自动舵系统不可测状态的模糊状态观测器；通过模糊状态观测器与自动舵系统之间的关系得到观测误差动态；

S3、根据舵角饱和特性模型设计辅助系统，基于输出信号与参考信号之间的误差和所述辅助系统，设计智能船舶自动舵系统的虚拟控制函数；

S4、通过所述模糊状态观测器和考虑舵角受限的自动舵系统数学模型以及观测误差动态、辅助系统、虚拟控制函数、自适应模糊更新率，得到自动舵系统的实际控制舵角，此有界舵角指令传递给船舶舵机输出船舶航向角，实现船舶航向的自动舵系统航向轨迹跟踪控制；

所述步骤S1中，建立智能船舶自动舵系统数学具体模型为：

式(1)中，φ为航向角，δ为舵角；K是船舶回转性指数，T为船舶跟从性指数，为未知的非线性函数，定义状态变量x₁＝φ，u＝Kδ/T，将式(1)变化，得到船舶航向非线性系统数学模型：

式(2)中，x_i,i＝1,2为系统的状态，u为系统的输入，y为系统的输出，f(x₂)为未知的不确定函数，满足李普希茨条件，存在一个已知常数l，使得为x₂的估计值，p＝K/T为控制增益；

考虑输入舵角有界的饱和特性，将式(2)变为

式(3)中，v为待设计的控制输入，u(v)是带有饱和特性的自动舵系统输入，u(v)可以被描述为

式(4)中，u_M为舵角的界限值，自动舵系统的舵角饱和特性可以被光滑函数描述为

式(5)可以被改写为

式(6)中带有饱和特性的自动舵系统输入u(v)与其描述函数h(v)的差为一个有界的函数ρ(v)，可被描述为

|ρ(v)|＝|sat(v)-h(v)|≤u_M(1-tanh(1))＝S₁ (7)

待设计控制输入v的绝对值|v|在0到舵角界限值u_M之间变化时，有界函数ρ(v)的值由0增长到S₁，当|v|的值大于舵角界限值u_M时，ρ(v)的值由S₁减小到0；

所述步骤S2具体包括：

利用模糊逻辑系统通用逼近原理得到自动舵系统中的未知非线性函数f(x₂)的逼近值为所述的未知非线性函数可被描述为

式中，θ^*为根据预设的船舶航向理想的参数向量，为理想参数向量θ^*的估计值，ε为根据预设的船舶航向理想的自动舵系统特性与自动舵系统中未知非线性函数之间的关系得到的模糊任意小逼近误差，ε满足|ε|≤ε^*，ε^*是一个正的常数；

结合式(8)，系统(3)可改写为

式中，Δf为自动舵系统中的未知非线性函数f(x₂)与利用模糊逻辑系统对其进行逼近后得到的逼近值之间做差得到的差值；

为了估计系统(3)的不可测状态，设计模糊状态观测器为

式中，m₁＞0,m₂＞0为待设计的观测器参数；

将式(4)改写为

式中，M＝[m₁,m₂]^T，C＝[1,0]^T，B＝[0,1]^T；

定义观测误差e为：

由式(9)和(11)可得观测误差动态为：

式中，ε＝[0,ε]^T，ΔF＝[0,Δf]^T，