详情

原文传递一种带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法

专利名称：	一种带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法
摘要：	本发明提供一种带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，包括：获取周围环境及周围其他船舶的海况信息，建立无人船舶的航向控制数学模型，采用均匀量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化处理；利用扩张状态观测器估计量化后的状态变量及控制系统中存在的不确定项，并将估计值用于无人船舶航向跟踪控制器的设计；基于Terminal滑模控制策略设计系统控制律，构造Terminal滑模面使得跟踪误差能够在有限时间内收敛；基于Lyapunov稳定性理论，证明扩张状态观测器和Terminal滑模控制器的稳定性、闭环控制系统中量化变量和非量化变量之间误差的有界性，最终证明本发明提供的带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制系统的稳定性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	大连海事大学
发明人：	宁君;马一帆;刘子涵;刘陆;彭周华
专利状态：	有效
申请日期：	2023-09-07T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-14T00:00:00+0800
申请号：	CN202311152088.4
公开号：	CN117055564A
代理机构：	大连东方专利代理有限责任公司
代理人：	高意;李洪福
分类号：	G05D1/02;G;G05;G05D;G05D1;G05D1/02
申请人地址：	116026 辽宁省大连市高新园区凌海路1号
主权项：	1.一种带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，其特征在于，包括： S1、获取周围环境及周围其他船舶的海况信息，建立无人船舶的航向控制数学模型，采用均匀量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化处理； S2、针对量化后的状态变量及控制系统中存在的不确定项，利用扩张状态观测器进行估计，并将估计值用于无人船舶航向跟踪控制器的设计； S3、基于Terminal滑模控制策略设计系统控制律，构造Terminal滑模面使得跟踪误差能够在有限时间内收敛； S4、基于Lyapunov稳定性理论，证明扩张状态观测器和Terminal滑模控制器的稳定性、闭环控制系统中量化变量和非量化变量之间误差的有界性，并最终证明带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制系统的稳定性。 2.根据权利要求1所述的带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括： S11、考虑航向跟踪控制问题，构建无人船舶的航向控制数学模型，如下：其中，φ为船舶航向角，r为船舶艏摇角速度，b为控制系统增益，K，T为船舶操纵性指数，H(r)为船舶内部扰动，H(r)＝a1r+a2r3，a1、a2为Norrbin运动模型非线性系数，τ为系统控制输入； S12、取φ，r为系统的状态变量，定义x1＝φ，考虑带有输入量化的无人船舶航向控制模型被表述为：其中，表示量化后的控制输入； S13、针对控制系统中的状态变量x1、x2和控制输入τ,采用均匀量化器进行量化，具体量化过程为：其中，ι＝x1，x2，τ，i∈Z+，χ(＞0)表示量化步长且满足Li＝χ，Li+1＝Li+χ，量化误差ι-q(ι)满足\|ι-q(ι)\|≤χ。 3.根据权利要求1所述的带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括： S21、令量化后的状态变量x1、x2和控制输入τ为结合步骤S12中的带有输入量化的无人船舶航向控制模型，设计扩张状态观测器，对量化后的状态变量及模型中的不确定项进行估计，设计的扩张状态观测器，如下：其中，为观测器状态，∈＞0，b1，b2，b3为正实数，多项式υ3+b1υ2+b2υ+b3满足Hurwitz条件； S22、采用设计的扩张状态观测器，实现当t→∞时，则无人船舶航向控制模型为： 4.根据权利要求1所述的带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括： S31、根据步骤S22中的无人船舶航向控制模型，考虑误差面： S32、设计滑模函数，如下：其中，β＞0，p，q(p＞q)为正奇数； S33、定义Lyapunov函数则： S34、设计系统的控制输入为：其中，κ＞0，D≥bχ； S35、设s(0)≠0到s＝0的时间为tr，当t＝tr时，s＝0，即s(tr)＝0，且： s(tr)-s(0)＝±κtr S36、设到/>的时间为ts，在此阶段，s＝0，即： S37、对进行积分，得： S38、从任意初始状态沿所设计的滑动模态到达平衡状态/>的时间为：即Terminal滑模控制可使系统状态误差在有限时间内收敛为零。 5.根据权利要求1所述的带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括： S41、基于Lyapunov稳定性理论，证明扩张状态观测器的稳定性及闭环控制系统中量化变量和非量化变量之间误差的有界性； S42、基于Lyapunov稳定性理论，证明Terminal滑模控制器的稳定性； S43、基于Lyapunov稳定性理论，证明带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制系统的稳定性。 6.根据权利要求5所述的带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S41具体包括： S411、由于则：在航海实践中，船舶艏摇角速度有上界，即r，均有上界，则存在实数M，使： S412、根据步骤S13可知则存在实数χ1、χ2使 S413、结合步骤S13、步骤S21，定义η＝[η1，η2，η3]T，其中： S414、由于：设k2＝-M，则观测误差状态方程可写为：其中， S415、定义扩张状态观测器的Lyapunov函数为：V2＝∈ηTPη，其中P为对称正定矩阵，则： S416、不确定项f(x，t)为未知连续函数，假设其时间导数存在且有界，即则：其中，λmin(Q)为Q的最小特征值。 S417、由可得观测器的收敛条件为： ∈越小，η收敛的速度越快，\|\|η\|\|是O(∈)的，随着∈的减小，观测误差逐渐向零趋近； S418、观测器的观测误差有界，说明观测后得到的估计值能够用于跟踪控制器的设计，同时也说明对系统的状态变量和控制输入进行量化处理后产生的量化误差有界。 7.根据权利要求5所述的带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S42具体包括： S421、考虑步骤S33中的Lyapunov函数，则： S422、由步骤S13可知则有：其中，κ＞0； S423、结合Lyapunov稳定性理论，当且系统的控制输入满足时，基于Terminal滑膜控制器的反馈控制系统误差一致最终有界。 8.根据权利要求5所述的带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S43具体包括： S431、考虑闭环控制系统的Lyapunov函数为：V＝V1+V2，则： S432、结合步骤S416、步骤S422可得：其中， S433、结合Lyapunov稳定性理论，证明了带有状态量化和输入量化的无人船舶有限时间航向跟踪控制系统是稳定的，且闭环控制系统误差一致最终有界。
所属类别：	发明专利