CN110515387A - 一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法 - Google Patents

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刘志全
储瑞婷
顾伟
高迪驹
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles

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Abstract

本发明公开了一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，所述方法至少包括：步骤1：建立漂角补偿的水面船舶航向控制状态空间非线性模型；步骤2：获取光滑的指令航向角及其导数；步骤3：获取航向角误差信号；步骤4：基于Nussbaum增益方法和自适应控制方法设计航向控制规律；步骤5：判断航向控制效果是否满意，如果“是”则结束控制，如果“否”则更新状态返回步骤3重新计算航向控制信号。

Description

一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法
技术领域
本发明涉及船舶运动控制领域，特别是涉及一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法。
技术背景
船舶在海上航行不可避免产生六自由度摇摆运动，艏摇运动决定船舶航向保持精度，航向是船舶导航和控制工程中的重要问题。为保证舰船顺利抵达目的地，以自动舵为执行机构的航向控制***是水面常规舰船所必须安装的。水面船舶的航向控制包括航向保持控制和转向控制，水平面坐标系下的船舶艏摇运动如图1所示。船舶操舵运动首先使船艏产生一个小的横向漂角β(通常小于5°)改变船体两侧流体分布状态，进而由船体两侧的水动力作用实现船体的转向运动。目前的船舶航向控制算法基本是忽略此漂角作用，采用航向偏差为ψe＝ψ-ψd的形式，但是该漂角的存在会增加航向超调降低航向控制精度，因此需要进行补偿。另一方面，目前应用最多的航向控制模型为一阶线性Nomoto模型，该模型适合航向保持控制，但是对于转向控制需要考虑高阶非线性条件。同时，船体受海浪的时变扰动作用，必然存在模型动态不确定(未建模动态)和参数时变等问题，这些问题均需要非线性控制方法去解决。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，解决船舶航向控制中的漂角补偿，模型动态不确定和参数时变问题。
本发明的技术提供的解决方案是：一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，具体步骤包括：
步骤1：基于一阶漂角模型和二阶非线性Nomoto模型，建立漂角补偿的水面船舶航向控制状态空间非线性模型；
步骤1中的水面船舶航向控制状态空间非线性模型由如下公式表示：
其中：***状态定义为，x1＝ψ表示航向角，x2＝β代表漂角，代表航向角速度，代表航向角加速度。Δβ为漂角模型不确定，f(x)为***未建模动态(动态不确定)，w为外部时变扰动，g(t)为时变控制系数，u为***控制信号，c1和c2为正常数的漂角模型参数标称值。
步骤2：利用指令航向角ψr通过前置滤波器获取光滑的指令航向角ψd及其导数
步骤2中的前置滤波器采用如下公式计算：
其中：ξ为滤波器阻尼，ω是滤波器频率，ψr是目标航向角。
步骤3：根据步骤1和步骤2采集指令航向角ψd，航向角ψ和漂角β信号并获取航向角误差信号ψe(t)＝ψ-ψd+β；
步骤4：基于Nussbaum增益方法和自适应控制方法设计航向控制规律，航向控制信号u(t)通过舵机伺服***驱动转舵最终实现航向控制；
步骤4中的航向控制信号由如下公式表示：
其中：N(ζ)为Nussbaum函数，z2＝x3-α1和z3＝x4-α2为虚拟误差信号，k3为设计的正常数，为***未建模动态(动态不确定)的估计，为外部时变扰动上界的估计，为虚拟控制信号α2的导数。
控制规律虚拟控制信号α1和α2分别由如下公式计算：
其中：k1和k2为设计的正常数，z1＝ψe＝x1-ψd+x2为航向误差信号，为漂角模型不确定的估计。
步骤5：判断航向控制效果是否满意，如果“是”则结束控制，如果“否”则更新状态返回步骤3重新计算航向控制信号。
本发明的有益效果是：通过建立漂角修正非线性航向模型和基于Nussbaum增益的自适应控制方法实现漂角补偿的航向控制，有效减小航向跟踪稳态误差和航向保持控制下的操舵指令信号，同时本发明无需模型中非线性部分的具体建模信息和时变参数的先验信息，可以提高恶劣海况下水面船舶航向控制的鲁棒性。
附图说明
图1是水面船舶艏摇运动坐标系示意图；
图2是本发明中航向控制***结构图；
图3是本发明提供的一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
如图2为本发明中航向控制***结构图、图3是本发明提供的一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法流程图，本发明公开的一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法具体实现如下：
步骤1：基于一阶漂角模型和二阶非线性Nomoto模型，建立漂角补偿的水面船舶航向控制状态空间非线性模型；
二阶非线性Nomoto模型为如下公式(1)形式：
其中：ψ为航向角，δ为舵角，a1,a2,a3,b1和b2为模型参数，模型参数的具体数值可根据所选择的具体船舶来确定或估算。
一阶漂角模型为如下公式(2)形式：
其中：为有界的模型不确定(即|Δβ|≤Δβmax且Δβmax是未知正常数)，c1和c2是模型标称值且满足0＜c1＜1,0＜c2＜1，具体数值可根据船模实验或者***辨识的方法加以估算。
根据公式(1)和公式(2)，基于漂角补偿的水面船舶航向控制状态空间非线性模型由如下公式(3)表示：
其中：***状态定义为，x1＝ψ表示航向角，x2＝β代表漂角，代表航向角速度，代表航向角加速度。为***未建模动态(动态不确定)，w为外部时变扰动，g(t)＝b1为时变控制系数。为***控制信号，即输入到舵机伺服***的控制信号并输出舵角。
步骤2：利用指令航向角ψr通过前置滤波器获取光滑的指令航向角ψd及其导数
前置滤波器采用如下公式(4)计算：
其中：ξ为滤波器阻尼，ω是滤波器频率，ψr是目标航向角。
步骤3：根据步骤1和步骤2采集指令航向角ψd，航向角ψ和漂角β信号并获取航向角误差信号ψe(t)＝ψ-ψd+β；
步骤4：基于Nussbaum增益方法和自适应控制方法设计航向控制规律，航向控制信号u(t)通过舵机伺服***驱动转舵最终实现航向控制；
航向控制信号由如下公式表示：
其中：N(ζ)为Nussbaum函数可根据需要自行选取，见参考文献“Ye,X.,Jiang,J.Adaptive nonlinear design without a priori knowledge of controldirections.IEEE Transactions on Automatic Control,1998,43(11):1617-1621.”，z2＝3x-1α和z3＝x4-α2为虚拟误差信号，k3为设计的正常数，为***未建模动态(动态不确定)的估计，为外部时变扰动上界的估计，为虚拟控制信号α2的导数。
航向控制规律(5)和(6)中的虚拟控制信号α1和α2分别由如下公式计算：
其中：k1和k2为设计的正常数，z1＝ψe＝x1-ψd+x2为航向误差信号，为漂角模型不确定的估计。
漂角模型不确定的估计***未建模动态的估计和外部时变扰动上界的估计可根据需要采用合适的自适应方法计算，或采用如下自适应规律计算：
其中：aβ，σβ，af，σf，aw和σw为设计的正常数，为外部时变扰动上界估计的初值。
步骤5：判断航向控制效果是否满意，如果“是”则结束控制，如果“否”则更新状态返回步骤3重新计算航向控制信号。
本发明的有益效果是：通过建立漂角修正非线性航向模型和基于Nussbaum增益的自适应控制方法实现漂角补偿的航向控制，有效减小航向跟踪稳态误差和航向保持控制下的操舵指令信号，同时本发明无需模型中非线性部分的具体建模信息和时变参数的先验信息，可以提高恶劣海况下水面船舶航向控制的鲁棒性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：基于一阶漂角模型和二阶非线性Nomoto模型，建立漂角补偿的水面船舶航向控制状态空间非线性模型；
步骤2：利用指令航向角ψr通过前置滤波器获取光滑的指令航向角ψd及其导数
步骤3：根据步骤1和步骤2采集指令航向角ψd，航向角ψ和漂角β信号并获取航向角误差信号ψe(t)＝ψ-ψd+β；
步骤4：基于Nussbaum增益方法和自适应控制方法设计航向控制规律，航向控制信号u(t)通过舵机伺服***驱动转舵最终实现航向控制；
步骤5：判断航向控制效果是否满意，如果“是”则结束控制，如果“否”则更新状态返回步骤3重新计算航向控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，其特征在于：步骤1中的水面船舶航向控制状态空间非线性模型由如下公式表示：
其中：***状态定义为，x1＝ψ表示航向角，x2＝β代表漂角，代表航向角速度，代表航向角加速度。Δβ为漂角模型不确定，f(x)为***未建模动态(动态不确定)，w为外部时变扰动，g(t)为时变控制系数，u为***控制信号，c1和c2为正常数的漂角模型参数标称值。
3.根据权利要求1所述的一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，其特征在于：步骤2中的前置滤波器采用如下公式计算：
其中：ξ为滤波器阻尼，ω是滤波器频率，ψr是目标航向角。
4.根据权利要求1所述的一种水面船舶漂角补偿非线性航向控制方法，其特征在于：步骤4中的航向控制信号由如下公式表示：
其中：N(ζ)为Nussbaum函数，z2＝x3-α1和z3＝x4-α2为虚拟误差信号，k3为设计的正常数，为***未建模动态(动态不确定)的估计，为外部时变扰动上界的估计，为虚拟控制信号α2的导数。
控制规律虚拟控制信号α1和α2分别由如下公式计算：
其中：k1和k2为设计的正常数，z1＝ψe＝x1-ψd+x2，为漂角模型不确定的估计。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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