[发明专利]输入输出非对称受限的全驱动水面舰船轨迹跟踪控制方法

摘要

本发明涉及一种输入输出非对称受限的全驱动水面舰船轨迹跟踪控制方法，先由给定的轨迹期望跟踪值进行误差计算；然后根据轨迹运动学方程进行轨迹运动学控制计算得到虚拟控制律；利用神经网络逼近水面舰船模型中的不确定项，设计辅助控制系统解决执行机构饱和问题，随后基于水面舰船动力学方程得到控制量；最终将此控制量用于水面舰船模型。在实际应用当中，水面舰船的轨迹、速度等状态量由传感器测量得到，而由该方法计算得到的控制量将传输至舵机和螺旋桨等执行机构，即可实现水面舰船抗不确定项、抗扰动、抗执行机构非对称饱和问题的轨迹跟踪控制功能。

主权项

1.一种输入输出非对称受限的全驱动水面舰船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一给定期望跟踪轨迹：给定期望平面位置(x_d,y_d)；给定期望偏航角ψ_d；期望跟踪轨迹表示为η_d＝[x_d,y_d,ψ_d]^T；步骤二轨迹跟踪误差计算：计算实际轨迹与期望轨迹之间的误差z₁＝η‑η_d；步骤三对输入饱和部分进行处理：引入光滑分段函数近似描述执行器模型；步骤四虚拟控制量α₁₀计算：计算消除期望轨迹与实际轨迹之间的误差所需的虚拟控制量α₁₀；步骤五虚拟控制量α₂₀计算：计算消除期望速度与实际速度之间的误差所需的虚拟控制量α₂₀；步骤六系统控制律设计：计算消除执行器期望输出与实际输出之间的误差所需的控制量φ；其中，步骤三中所述的对输入饱和部分进行处理，其计算方法如下：首先建立惯性坐标系和体坐标系；从而可得到水面舰船的三自由度非线性运动方程：其中，η＝[x,y,ψ]^T为在惯性坐标系下舰船的实际轨迹，(x,y)表示水面舰船的位置，ψ表示偏航角；υ＝[u,v,r]^T为舰船在体坐标系下的速度矢量，u,v,r分别为速度矢量沿船体坐标系的分解量，分别表示前进速度、横向速度和偏航角速度；R(ψ)为旋转矩阵，满足R^‑1(ψ)＝R^T(ψ)：M是非奇异、对称的正定惯性矩阵；C(υ)是向心矩阵，D(υ)是阻尼矩阵；三者分别表示如下：b(t)＝[b₁(t) b₂(t) b₃(t)]^T为不确定项，包括未建模不确定项以及未知时变的干扰量；为饱和执行器的输出及系统的输入；执行器输入输出的关系可被表示为：其中，是不考虑执行器饱和下的控制量，可看做饱和执行器的输入；和分别是τ_i的上下限；但是此时输入与输出的关系曲线是不平滑的，无法使用反步法进行设计；因此定义一个光滑分段函数来近似表示执行器输入输出关系；则水面舰船的运动方程可改写为其中，是一个有界的函数向量，c＞0，φ为之后需要设计的控制律。