[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

说明书

本发明提供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，属于船舶自动控制技术领域，该方法针对智能船舶自动舵系统，运用模糊状态观测器和根据舵角饱和特性模型设计的辅助系统，解决输入舵角受限的智能船舶自动舵系统的输出反馈控制问题，有效减少控制器对自动舵系统航向角变化率状态信息已知的需求，提高航向跟踪速度和精度。

技术领域

本发明涉及船舶自动控制技术领域，尤其涉及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。

背景技术

船舶运动具有大时滞、大惯性、非线性等特点，航速及装载的变化导致了控制模型的参数摄动问题，航行条件的变化、环境参数的干扰及测量的不精确，都使船舶航向控制系统产生了不确定性。面对这些非线性不确定带来的问题，智能算法应运而生，被不断应用于船舶航向控制领域，如自适应控制，鲁棒控制，模糊自适应控制、迭代滑模控制、最少参数学习方法等。当前多数船舶航向轨迹追踪设计均采用状态反馈控制方法，该方法假设船舶航向系统全部状态信息已知。然而在实际工程应用中，船舶航向系统舵角变化信息多为未知，而且舵角的输入为有界的，现有技术考虑船舶航向控制实际性能要求较少，使用成本较高不易于工程实现。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供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。本发明主面向考虑舵角受限的智能船舶自动舵系统，通过模糊自适应输出反馈，可有效降低控制器能量消耗、减少舵机磨损，提高航向跟踪速度和精度。本发明采用的技术手段如下：

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，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。

进一步地，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