[发明专利]一种基于滑模事件触发的船舶航向保持控制器及设计方法

权利要求书

1.一种基于滑模事件触发的船舶航向保持控制器设计方法，其特征在于，包括：

建立船舶的非线性模型；

根据设定的船舶期望航向定义航向误差，并设计虚拟控制器以镇定所述航向误差；

计算船舶转艏速率与所述虚拟控制器存在的误差，并构造比例积分滑模面以镇定所述船舶转艏速率与所述虚拟控制器存在的误差；

引入事件触发机制；所述事件触发机制包括：当控制命令不满足触发条件时，保持现有控制命令，当满足触发条件时，执行新的控制命令；

根据所述比例积分滑模面和所述事件触发机制获得航向保持控制律，船舶航行保持系统根据所述航向保持控制律进行船舶航向保持控制。

2.如权利要求1所述的基于滑模事件触发的船舶航向保持控制器设计方法，其特征在于，所述船舶的非线性模型，包括：

船舶的非线性模型如式(1)表示为：

式中，ψ为航向角，δ为命令舵角，K、T为操纵性指数，d_wr为外界扰动，a₁,a₂表示模型的非线性参数，r为船舶转艏速率。

3.如权利要求2所述的基于滑模事件触发的船舶航向保持控制器设计方法，其特征在于，所述根据设定的船舶期望航向定义航向误差，并设计虚拟控制器以镇定所述航向误差，包括：

设定船舶期望航向为ψ_d，定义航向误差ψ_e，并求导得到式(2)：

针对r设计虚拟控制器α_r，如式(3)表示为：

式中，k₁表示正的设计参数。

4.如权利要求3所述的基于滑模事件触发的船舶航向保持控制器设计方法，其特征在于，所述计算船舶转艏速率与所述虚拟控制器存在的误差，并构造比例积分滑模面以镇定所述船舶转艏速率与所述虚拟控制器存在的误差，包括：

通过式(5)构造所述比例积分滑模面；

进一步有

因此，

式中，k₂为大于零的滑模面设计参数。

5.如权利要求4所述的基于滑模事件触发的船舶航向保持控制器设计方法，其特征在于，所述引入事件触发机制，包括：

所述事件触发机制的控制命令输入表示为：

根据当控制命令不满足触发条件时保持现有控制命令，当满足触发条件时执行新的控制命令的规则，设计所述事件触发机制表示为：

t_k+1＝inf{t＞t_k||e_δ|＞ξ|δ(t)|} (9)

式中，ξ表示触发阈值，e_δ＝δ_w-δ，因此，得到事件触发控制命令输入表示为：

式中，δ_w表示触发控制输入，λ表示设计参数，t_k,t_k+1表示当前触发时刻和下一触发时刻。

6.如权利要求5所述的基于滑模事件触发的船舶航向保持控制器设计方法，其特征在于，所述根据所述比例积分滑模面和所述事件触发机制获得航向保持控制律，包括：

将式(10)代入式(6)，得到：

进一步有，所述航向保持控制律表示为：

7.一种基于滑模事件触发的船舶航向保持控制器，其特征在于，包括：

比例积分滑模面模块、事件触发模块及航向保持控制律模块；

所述比例积分滑模面模块，用于镇定船舶转艏速率与根据航向误差所设计的虚拟控制器之间存在的误差；

所述事件触发模块，用于为所述航向保持控制律模引入事件触发机制；所述事件触发机制包括：当控制命令不满足触发条件时，保持现有控制命令，当满足触发条件时，执行新的控制命令；

所述航向保持控制律模块，用于根据所述比例积分滑模面和所述事件触发机制获得航向保持控制律；船舶航行保持系统根据所述航向保持控制律进行船舶航向保持控制。