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原文传递一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法

专利名称：	一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法
摘要：	本发明公开了一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，涉及船舶方位控制方法技术领域，设计具有预设性能的双齐次快速终端滑模面，在保证滑模面上变量在有限时间收敛的情况下，通过预设性能函数约束滑模面上的状态变量轨迹，以改进系统在滑模面上的精度、快速性；引入固定时间引理设计了滑模面趋近律，滑模面的有限时间到达，保证系统的全局收敛时间有限；考虑系统的外部扰动引起的鲁棒性需求，建立了风阻力矩模型以降低控制律保守性；考虑未建模动态和雷诺数引起的风阻力矩模型参数失配，通过三个自适应极限学习机以抑制系统的不确定性；通过仿真和实验结果表明本发明所提出的控制算法具有精度高、速度快、鲁棒性强和节能效率高的特点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工程大学
发明人：	刘胜;宋健;张兰勇
专利状态：	有效
申请日期：	2023-09-26T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-14T00:00:00+0800
申请号：	CN202311252010.X
公开号：	CN117055582A
代理机构：	徐州起点至诚专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	杨佳龙
分类号：	G05D1/02;G;G05;G05D;G05D1;G05D1/02
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号
主权项：	1.一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，其特征在于，具体方法包括以下步骤：步骤1、根据船舶助航风帆方位的目标跟踪需求以及船舶助航风帆方位伺服系统结构，建立船舶助航风帆方位伺服系统动力学模型，以用于控制策略设计；所述方位伺服系统动力学模型可表示为：式中，M为伺服电机转子质量，B为伺服电机粘性摩擦系数，θe为伺服电机和船舶助航风帆的方位角，Kf定义为电磁转矩系数，iq为伺服电机q轴上的定子电流分量，Tw为船舶助航风帆转动过程中的风阻力矩，Td为风帆方位伺服系统的未建模动态；步骤2、考虑风帆转动过程中的风阻力矩，建立风帆转动过程中受到的与风帆伺服系统实时方位角和表观风向相关的风阻力矩模型，通过建立的风阻力矩进行控制律设计，以用于降低控制策略的保守性；所述风阻力矩模型可以表示为：式中，L是从风帆重心到桅杆的水平距离；步骤3、设计了一种具有预设性能的双齐次快速终端滑动面，采用指定时间预设性能函数来约束误差变量在滑动表面上的轨迹，通过无约束映射，将约束误差变量转化为滑动曲面变量，滑动面上的误差具有更快的固定时间收敛和更高的跟踪精度，以优化系统的动态特性和稳态性能；同时，进行系统等效控制律的设计；对于滑动阶段，通过设计系统的等效控制律ue，使系统在滑模面上的状态符合预设性能，通过与系统动力学模型相结合，可以获得系统的等效控制律：步骤4、基于在步骤2中的具有预设性能的双齐次快速终端滑模面，通过有限时间引理设计滑模趋近律设计，以实现系统在有限时间到达滑模面，保证系统在滑动阶段以及滑模到达阶段的时间都是有限的，并保证系统的全局收敛；通过与动力学模型相结合，可以获得以滑动面s为变量的滑动模态趋近律：式中，定义γ1＝m1/n1和γ2＝m2/n2以避免奇异性，正数ni,mi(i＝1,2)满足n1＜m1，n2＜2m2＜2n2；步骤5、考虑到风阻力矩模型因雷诺数波动引起的参数不确定性和系统未建模动态，采用三个自适应极限学习机来逼近上述模型中的升力系数和阻力系数波动和系统未建模动态，通过补偿控制律的设计，实现系统对扰动的鲁棒性和对抖振的抑制；同时，进行集总控制律的设计；考虑到扰动的时变特性，设计了一种自适应律来在线调整自适应极限学习机，以提高对风阻力矩模型参数失配和未建模动态的抑制效果，补偿控制律设计可以表示为：通过补偿控制实现鲁棒性的情况下，系统在到达和滑动阶段的预设特性可以通过到达控制和等效控制来保证，所述控制律的设计可以表示为： u＝ue+ur+uc 式中，ue,ur和uc分别定义为构成总控制律的等价控制律、到达控制律和补偿控制律。 2.根据权利要求1所述的一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，其特征在于，步骤1中，所述风帆方位伺服通过风帆桅杆与三相永磁同步电机同轴连接，驱动风帆方位进行调整，通过控制器调整电机电流，并通过角位置/速度传感器测量船舶助航风帆方位角和方位角速度，进而实现风帆方位的闭环跟踪控制。 3.根据权利要求1所述的一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，其特征在于，步骤2中，通过定义风帆方位伺服系统的状态变量x1＝θaos，系统状态空间描述可表示为：其中，u是系统的输入，未建模动态Td定义为常数，所述风阻力矩模型可以表示为： 4.根据权利要求1所述的一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，其特征在于，步骤3中，通过预设性能函数以建立对状态变量的约束，构造具有约束的状态变量，将风帆的方位误差定义为系统状态变量：当前和目标风帆方位角定义为x1d1和x1d2，最大误差方位表示为x1d1-x1d2；考虑风帆在跟踪过程的推力优化目标，提出的约束主要用于优化伺服系统的超调和跟踪误差，对系统状态变量的预定约束可表示如下：式中，λ∈(0,1)用于约束反向运动；为了预设系统的瞬态和稳态性能，通过引入用于约束变量轨迹的预设性能函数，可以描述为：式中，0＜μ＜1，σ0和σT是系统的初始值和最终值，当e1(0)＞0时，当e1(0)＜0时，T，μ和σT用于控制动态性能和稳态性能；通过引入预设性能函数，系统状态误差变量转换为θ(t)＝e1(t)/σ(t)，则对转换后变量的约束被可以等价为：此处，且σ(t)和/>的非奇异性可以保证；因此，重新定义的变量上下界可表示为：将具有约束的变量映射为无约束变量，并基于无约束变量进行滑模面设计，通过一种具有辅助函数的映射为：式中，q(e1)用于满足映射的连续性，当e1(t)≥0时，p(e1)＝0，当e1(t)＜0，q(e1)＝1，δ用于增加保守性；通过使用上述映射，变量被映射到/>无约束变量与具有约束的系统误差状态变量之间的关系满足：此处，则滑模面可通过基于映射后的变量重新被定义为：此处，a1,a2,a3＞0,γ3＞1,0.5＜γ2＜1,0＜τ＜1,b(ξ1)为滑模面辅助函数，满足如下关系：为保证系统逼近过程的连续性，设计参数c1,c2,c3以保证控制律在系统在\|ξ1\|＝τ位置切换的连续性，对于二阶连续可微性，参数计算如下： 5.根据权利要求1所述的一种具有预设性能的船舶助航风帆终端滑模控制方法，其特征在于，步骤5中，控制律使用自适应极限学习机估计不确定参数和未知模型：其中，被用于估计独立于风帆方位角和风向的未建模动力学，定义为常值Td；估计误差定义为自适应律的设计可以表示为：
所属类别：	发明专利