一種非線性船舶動力系統(tǒng)的自適應定位跟蹤容錯控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非線性船舶動力系統(tǒng)的自適應定位跟蹤容錯控制方法。首先建立慣性坐標系下的船舶耦合運動模型；構建船舶狀態(tài)變量動力方程；然后，根據(jù)船舶定位的靜態(tài)和動態(tài)特性，設計性能參考解耦子模型信號發(fā)生器；最后，設計自適應模糊邏輯器估計船舶未知項；設計定位自適應跟蹤容錯控制器，在風、浪和流的海況下，實現(xiàn)船舶動力系統(tǒng)在正常和執(zhí)行器發(fā)生有界故障情形下的定位控制。其優(yōu)點是：本方法不依賴船舶各維子系統(tǒng)模型已知，直接利用各子系統(tǒng)獨立狀態(tài)控制單一子系統(tǒng)，將與船舶全局變量相關的部分納入到不確定性來處理；通過模糊邏輯器和自適應容錯控制器動態(tài)補償船舶不確定性和執(zhí)行器故障等的影響，減小人為預估造成的定位跟蹤不精確性。
【專利說明】 一種非線性船舶動力系統(tǒng)的自適應定位跟蹤容錯控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非線性船舶動力系統(tǒng)的自適應定位跟蹤容錯控制方法，屬于容錯控制領域。

【背景技術】
[0002]由于現(xiàn)代工業(yè)設備所處動力學環(huán)境和本身機械結構的復雜度日益提高，因此控制對象的建模必是難以完備的，整個系統(tǒng)往往呈現(xiàn)為復雜的非線性和不確定性。而元器件損耗、環(huán)境變化等因素隨時都可能為執(zhí)行器的實際控制效果帶來諸多不確定，可能使得系統(tǒng)發(fā)生故障，嚴重時甚至會導致系統(tǒng)失穩(wěn)，從而造成巨大的安全事故。
[0003]定位跟蹤控制問題廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，例如機器人點焊、磁盤磁道讀取和倉儲搬運等，尤其隨著人們對海洋探索范圍的不斷拓展，針對海上作業(yè)系統(tǒng)系泊方式的研究就顯得日益重要。船舶動力定位控制就是指船舶利用自身動力系統(tǒng)(主要指舵和槳)來提供反力和反力矩以克服風、浪和流等環(huán)境外力(矩)的干擾，從而使船舶保持在海平面要求的位置和方向上。此問題已成為各國的研究熱點，尤其是系統(tǒng)存在故障等不確定因素時的容錯控制問題還鮮見于報道。
[0004]船舶系統(tǒng)模型的不確定性和故障是影響定位控制的重要因素。在目前的技術中，主要存在兩大弊端。一種技術方法是普遍限定系統(tǒng)的不確定性范數(shù)有界為已知常數(shù)，然而此有界常數(shù)若人為選得過大或過小都可能會造成最終控制器的實現(xiàn)代價過高或對不確定性的影響估計不足，指導性不強。另一種技術方法則進一步放寬了對系統(tǒng)不確定性的要求，但卻對系統(tǒng)模型的依賴性較強。因為即使對船舶模型直接采用T-S模糊建模，獲取每條模糊規(guī)則下的局部線性化模型也并非易事。自適應模糊邏輯由于具有強大的對數(shù)據(jù)和模型“精確”的“解釋”性，已成為船舶定位控制研究處理不確定性和建模問題的主要手段。但也需指出，雖然自適應方法加強了控制策略對系統(tǒng)不確定部分的適應性，但由故障等不確定因素所引起的系統(tǒng)結構和參數(shù)的變化，卻會使得很多自適應控制方法失效。這是因為由故障等所引發(fā)的結構和參數(shù)的變化程度往往難以以精確的函數(shù)來描述。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是解決一種非線性船舶動力系統(tǒng)的定位跟蹤控制問題，在存在風、浪和流的海況條件下，針對多維非線性船舶系統(tǒng)設計自適應容錯控制器，以分別實現(xiàn)船舶定位系統(tǒng)正常和發(fā)生有界故障情形下的定位控制，提高系統(tǒng)的定位精度和控制可靠性。
[0006]根據(jù)本發(fā)明提供的技術方案，所述非線性船舶動力系統(tǒng)的自適應定位跟蹤容錯控制方法包括如下步驟:
[0007]第一步:建立慣性坐標系下船舶耦合運動模型
[0008]同一般物體的力學運動一樣，船舶運動也有運動學問題和動力學問題之分。單純描述船舶位置、速度、加速度，以及姿態(tài)、角加速度隨時間變化的問題屬于運動學的問題。研究船舶受到力和力矩作用后如何改變運動位置和姿態(tài)的問題屬于動力學問題。船舶動力學問題研究必須在慣性參考系下進行，一般總是以大地作為參考系。

【權利要求】
1.一種非線性船舶動力系統(tǒng)的自適應定位跟蹤容錯控制方法，其特征包括:以大地作為參考系，建立慣性坐標系下的船舶耦合運動模型；構建船舶非線性狀態(tài)變量動力方程；根據(jù)船舶定位運行的靜態(tài)和動態(tài)特性，設計性能參考解耦子模型信號發(fā)生器；設計自適應模糊邏輯器估計船舶模型的未知項；設計船舶定位自適應跟蹤容錯控制器，在風、浪和流的海況條件下，實現(xiàn)船舶動力系統(tǒng)在正常和執(zhí)行器發(fā)生有界故障情形下的定位控制。 第一步:建立慣性坐標系下船舶耦合運動模型 船舶受到力和力矩作用后如何改變運動位置和姿態(tài)屬于動力學問題。在慣性參考系下建立船舶動力學模型，以大地作為參考系
在船舶模型動力方程⑴中，XU，XL2分別為X方向(縱向)的船位移和速度；Xu，XL4分別為Y方向(橫向)的船位移和速度；XW，XL6分別為艏搖角度和角速度；χα，Xc2分別為海流在X方向和Y方向的速度；XC3表示流力矩^1, V2分別為X方向和Y方向的風力；v3表示風力矩！U1, U2分別為X方向和Y方向的螺旋槳推力；u3表不螺旋槳推力矩；nu, nL2, nL3表不零均值高斯白噪聲序列M1, d2, d3, d4為阻力系數(shù)和力矩系數(shù)，以船艏與流向間的夾角的函數(shù)給出:1?, m2, m3為慣性系數(shù)。 第二步:構建船舶非線性狀態(tài)變量動力方程 針對船舶模型(I)構建非線性狀態(tài)變量動力方程
其中i表示子系統(tǒng)個數(shù)，i = I, 2，3。fi (x, t)和匕匕t) e R表示與全局狀態(tài)變量相關的子系統(tǒng)模型的連續(xù)函數(shù)向量，其中bi(x，t)恒不為零。Xi = [xn xi2]T表示子系統(tǒng)部分的狀態(tài)變量，X=[xTl,...,xTi,...,xTm]t是系統(tǒng)的全局狀態(tài)變量，Ui (t)表不系統(tǒng)輸入，gi (Xi, t)表不執(zhí)行器端的未知不確定性，Yi表不系統(tǒng)輸出，Wi(Xpt)表不系統(tǒng)不確定性或執(zhí)行器故障。船舶定位系統(tǒng)中執(zhí)行器端的常見故障由執(zhí)行器卡死、失效或元器件松動等因素所引起，而擾動則一般體現(xiàn)為執(zhí)行器的機械震動和沖擊現(xiàn)象等。 進而船舶動力方程(2)的各子系統(tǒng)可以統(tǒng)一構造為如下形式:

其中 4,.= L。，4 = ι l.第三步:設計性能參考解耦子模型信號發(fā)生器 綜合考慮實際船舶定位運行的靜態(tài)和動態(tài)特性，針對系統(tǒng)(I)，同時考慮式(3)所示非線性系統(tǒng)在m個自由度上運動的特點，雖然船舶各子系統(tǒng)間狀態(tài)關系相互耦合，但各軸控制獨立，因此參考模型(目標指令發(fā)生器)設計成由m個解耦獨立的子系統(tǒng)組成
其中4m = _Jr _K j，xmi為參考1旲型的狀態(tài)變量，ymi為參考1旲型輸出，vmi為參考豐旲型輸入，即指令信號發(fā)生。 第四步:設計自適應模糊邏輯器估計船舶模型未知項 船舶動力系統(tǒng)(3)中的各子系統(tǒng)模型函數(shù)&(1，0和匕(1，0 —般均未知或僅部分已知，以自適應模糊邏輯器估計得到)和的相關項。模糊邏輯語言描述:
其中q = I, 2,...，2m, 和分別表示條件向量Zfq和zbQ所屬模糊集合，而k和I表示IF-THEN模糊規(guī)則數(shù)，進一步可得
其中之(/)=[尸丨Ff…F1]1和4? = ^ 1%…為可調參數(shù)向量，自適應更新律為 其中可調參數(shù)鳥和爲均為任意正數(shù)。AiW = Ilj1(Ji) ξι(χ)…4(x)f，ξ?Κ (X) = [ξ? O) ξ?(χ)…劣(x)J為模糊基函數(shù)向量
其中μL、' (ζΑ)和μ、Uhll)分別表示條件向量Zfq和Zbq在模糊集合^和/^內(nèi)的相關隸屬度。 第五步:設計船舶定位自適應跟蹤容錯控制器 定位跟蹤誤差ei = Y1-Ymi^ σ i = Qei,其中Ci為各元素均為正的行向量,且CiBtl關O,船舶各子系統(tǒng)的自適應跟蹤容錯控制器為
相應的自適應項為
其中
(i = l，2，...，m，j = 0,1,2)為任意正 數(shù)。 將船舶參考模型信號發(fā)生器(5)，模糊邏輯器(6)、(7)和自適應律(10)、(11)、(12)代入式(9)就可得到定位跟蹤容錯控制器。
【文檔編號】G05B13/04GK104076690SQ201410356084
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權日:2014年7月24日
【發(fā)明者】陶洪峰 申請人:江南大學