[发明专利]无人艇动力定位的无模型自适应预设性能控制方法

说明书

本发明专利提供了一种用于无人艇动力定位的无模型自适应预设性能控制方法。首先提出了一种新型预设性能函数，为预设性能误差转换奠定基础；随后基于所提出的预设性能函数将具有受限误差性能的动力定位系统转换为一个具有非受限误差性能的系统，基于这一转化系统所设计的控制器，不仅可以使得系统闭环信号一致最终有界，还可以保障系统的瞬态性能。最后，基于指令滤波反步法开展控制器设计，同时引入自适应方法，得到无模型自适应预设性能控制器。所设计的控制器摆脱了对无人艇水动力及附加质量项精确建模的需求，还可实现无人艇在外界时变扰动及输入饱和约束下的预设性能控制。

技术领域

本发明涉及无人艇控制技术领域，更具体地，是一种用于无人艇(包括水下航行体、水下机器人、水面无人船等)动力定位的无模型自适应预设性能控制方法。

背景技术

近年来，随着陆地燃料资源的枯竭，占据地球面积约71％的海洋战略地位随之不断提高。为充分勘探和开采海洋资源，海洋装备技术的发展不可或缺。以无人艇(包括水下航行体、水下机器人、水面无人船等)为代表的海洋智能装备是现阶段海上作业的主要载体，传统的系/锚泊定位由于系缆和锚链长度的限制已无法满足这类海洋智能装备作业的定位需求。动力定位是一种可以依靠动力推进而自动保持位置的定位方法，其工作过程无需系/锚泊系统辅助，摆脱了工作水深的限制还可抵抗海洋的海浪与海风干扰，保证无人艇较为精确的动态定位。

反演控制、滑模控制、模糊控制等一系列先进控制方法已被应用到无人艇动力定位控制器设计中，但这些传统的控制器设计仅能保障无人艇最终可收敛到期望的位置和艏向，无法兼顾到其动力定位过程中瞬态性能。面向动力定位无人艇在复杂海洋环境中的作业需求，无人艇动作过程中往往存在着诸多环境边界约束，因此考虑动力定位过程瞬态性能的预设性能控制方法设计是值得深入研究的。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对于同时受到外界时变扰动和执行器输入饱和约束下的无人艇动力定位无模型自适应预设性能控制问题。

为实现上述目的，本发明中首先引入了预设性能函数，将具有受限误差性能的无人艇动力学系统转化为具有非受限误差性能的新系统，仅需设计控制器使得该系统最终收敛于期望的信号，即可实现无人艇动力定位需求，同时还可保障系统的瞬态性能。接下来，基于反步设计方法进行控制器设计，递推得到虚拟中间控制变量。为避免复杂微分运算，引入指令滤波滤波器将微分运算转化为简单的代数运算。考虑到引入指令滤波器所带来的指令滤波误差，构造误差补偿辅助系统进行处理。针对由外界时变扰动设计鲁棒项进行镇定。基于自适应技术实现模型自适应。最终求解控制力/力矩时通过所构造的辅助动力学系统得到非饱和控制输出，实现了无人艇在外界时变扰动及输入饱和约束下的无模型自适应预设性能控制。

附图说明

图1是本发明中用于无人艇动力定位的模糊自适应预设性能控制方法的总体控制框图。

图2是对于图1的一个补充，详细展现了用于无人艇动力定位的模糊自适应预设性能控制方法中鲁棒自适应控制器设计的指令滤波过程。

图3是动力定位无人艇速度历时曲线。

图4是动力定位无人艇水平面位置和艏向历时曲线。

图5是动力定位无人艇执行器输出推力/力矩历时曲线。

图6是动力定位无人艇转换位置误差面向量历时曲线。

图7是动力定位无人艇速度误差面向量历时曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

步骤一：基于所提出的新型预设性能函数，将具有受限误差性能的动力定位系统转化为具有非受限误差性能的新系统，为反步设计奠定基础。