[发明专利]一种基于分数幂函数的船舶非线性扩张状态观测器

说明书

本发明涉及一种基于分数幂函数的船舶非线性扩张状态观测器，包括信号采集单元、比较单元、非线性单元、坐标变换单元、位置估计模块、速度估计模块、总扰动估计模块和输出单元。与现有技术相比，本发明基于分数幂函数的非线性扩张状态观测器中采用的非线性函数δ(·)具有类似饱和的行为，当时，增益变小，小增益可以帮助降低峰值并在存在测量噪声的情况下确保良好的性能，同时还具有控制精度高、抗扰能力强、结构简单等优点。

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其是涉及一种基于分数幂函数的船舶非线性扩张状态观测器。

背景技术

近几年来，船舶在海洋观测与海洋探索方面发挥着重要作用，当船舶遭遇风、浪和海流时，船舶的动力学层面就会出现内部参数模型不确定性、未知的流体动力学和外界干扰。这些不确定性给船舶的运动控制器带来了巨大挑战。船舶的运动控制性能很大程度上受如何实时估计不确定性然后在控制回路中消除不确定性的影响。因此，如何在存在不确定性和干扰的情况下对其进行准确估计已成为船舶研究中的重点方向。

为了在存在不确定性和干扰的情况下保持船舶的稳定性，国内外学者已经进行了很多相关工作，并提出了许多估计未知扰动的方法。Lekkas and Fossen提出了鲁棒控制方法消除外部扰动，其缺点是需要已知扰动边界；Chen and Jiang等人提出了基于参数自适应的方法来估计未知模型参数，但该方法的缺点是只有在速度信息可用的情况下，才能估计不确定性。Peng提出了神经网络的观测器来同时估计未知速度和不确定性，其缺点是参数的收敛是在持续激励条件下实现的；Do and Chen 使用扰动观测器来估计外部扰动，其缺点是内部模型参数不确定性没有被估计。

从观测器设计方面来看现有的未知扰动估计方法仍存在以下不足：

第一，现有的未知扰动估计方法大多在观测过程中，观测器的增益能力会降低，对扰动的估计效果不佳，而且观测器对存在的峰值问题无效。第二，现有的未知扰动估计研究大多单独针对线性或非线性扩张状态观测器，没有将两者的优点结合在一起，在控制精度和抗扰能力方面各有缺点。第三。现有的未知扰动估计方法大多依赖于某种特定的控制算法，而且计算较为复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种性能好、控制精度高、抗扰能力强、结构简单的基于分数幂函数的船舶非线性扩张状态观测器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于分数幂函数的船舶非线性扩张状态观测器，包括信号采集单元、比较单元、非线性单元、坐标变换单元、位置估计模块、速度估计模块、总扰动估计模块和输出单元；

所述的比较单元和坐标变换单元的输入端分别与信号采集单元的输出端相连；所述的非线性单元的输入端与比较单元的输入端相连；

所述的位置估计模块包括第一比例单元、第一乘法器和第一加法器；所述的非线性单元的输出端与第一比例单元的输入端相连；所述的第一比例单元和第一乘法器的输出端分别与第一加法器的输入端相连；所述的坐标变换单元的输出端与第一乘法器的输入端相连；所述的第一加法器的输出端分别与比较单元和输出单元的输入端相连；

所述的速度估计模块包括第二比例单元、第二乘法器和第二加法器；所述的坐标变换单元的输出端与第二比例单元的输入端相连；所述的第二比例单元和非线性单元的输出端分别与第二乘法器的输入端相连；所述的第二乘法器和信号采集单元的输出端分别与第二加法器的输入端相连；第二加法器的输出端分别与第一乘法器和输出单元的输入端相连；

所述的总扰动估计模块包括第三比例单元和第三乘法器；所述的坐标变换单元的输出端与第三比例单元的输入端相连；所述的第三比例单元和非线性单元的输出端分别与第三乘法器相连；所述的第三乘法器的输出端分别与输出单元和第二加法器的输入端相连。

优选地，所述的船舶满足以下模型：