船舶航向自抗擾控制器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種船舶航向自抗擾控制器，其特征在于該系統(tǒng)由包括自抗擾控制器、舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)、船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、風(fēng)浪流干擾信號(hào)構(gòu)成；所說(shuō)的自抗擾控制器的輸入端接收航向設(shè)定信號(hào)和由實(shí)際航向信號(hào)做比較，經(jīng)自抗擾控制器處理后，輸出端連接舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的輸入端，傳遞輸出控制信號(hào)；舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)輸出端連接船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型輸入端；輸出端實(shí)際航向連接自抗擾控制器輸入端。船舶航向自抗擾控制器克服了船舶運(yùn)動(dòng)具有大慣性、非線性等特點(diǎn)，使船舶航向切換控制過(guò)程快速、平滑，操舵量小，可以實(shí)現(xiàn)高精度的船舶航向保持控制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】船舶航向自抗擾控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種船舶運(yùn)動(dòng)控制算法，尤其涉及一種船舶航向控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶交通承擔(dān)著90%以上的國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸量，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，海上交通的密集度越來(lái)越大，對(duì)航行的安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求也越來(lái)越高，因此對(duì)船舶的航行控制就成為一個(gè)重要研究課題。
[0003]上世紀(jì)20年代，基于PID方法的自動(dòng)舵就被設(shè)計(jì)出來(lái)并用于船舶航向的自動(dòng)控制。隨著控制理論的發(fā)展，上世紀(jì)70年代自適應(yīng)控制等現(xiàn)代控制方法被用于船舶航向控制。但是，由于船舶運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，外部環(huán)境影響是隨機(jī)和難以預(yù)測(cè)的，自適應(yīng)控制算法等現(xiàn)代控制方法并不能徹底解決船舶航向的控制問(wèn)題。實(shí)際上，船舶運(yùn)動(dòng)具有大慣性、非線性等特點(diǎn)，航速及裝載的變化產(chǎn)生了模型參數(shù)攝動(dòng)；航行中風(fēng)對(duì)船舶產(chǎn)生均風(fēng)力和附加變動(dòng)風(fēng)力，流產(chǎn)生船位的漂移，浪造成船舶航向角的高頻變化和船位低頻漂移，以及航行條件的變化、環(huán)境參數(shù)的嚴(yán)重干擾等都使船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不確定性，使得自適應(yīng)控制技術(shù)在船舶航向控制應(yīng)用中受到了限制。隨后，各種新的控制算法，如變結(jié)構(gòu)控制、H⑴魯棒控制、預(yù)測(cè)控制、精確反饋線性化、反步法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等又相繼應(yīng)用于船舶航向控制，在控制方法研究上取得了一定進(jìn)展，但也暴露出一些問(wèn)題，如變結(jié)構(gòu)控制存在抖振；H⑴控制、廣義預(yù)測(cè)控制、精確反饋線性化、反步法等對(duì)控制對(duì)象模型要求較高，算法不易被工程設(shè)計(jì)人員掌握；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的泛化能力有待于進(jìn)一步研究，控制的完備性問(wèn)題未徹底解決；模糊控制的工程設(shè)計(jì)直觀易行，但控制規(guī)則的確定和優(yōu)化往往還很困難。
[0004]最近20年來(lái)，在自動(dòng)化基礎(chǔ)上提出的智能化船舶發(fā)展很快，但受限于船舶運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，船舶運(yùn)動(dòng)的智能控制問(wèn)題一直沒(méi)有得到較好的解決。事實(shí)上，目前的船舶航向控制器絕大多數(shù)還是基于PID或自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)的，其應(yīng)用范圍和控制效果難以滿足船舶智能化的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了克服船舶運(yùn)動(dòng)具有大慣性、非線性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有較強(qiáng)魯棒性的船舶航向自抗擾控制器，使船舶航向切換控制過(guò)程快速、平滑，操舵量小，可以實(shí)現(xiàn)高精度的船舶航向保持控制。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種船舶航向自抗擾控制器，其特征在于該系統(tǒng)由包括自抗擾控制器、舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)、船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、風(fēng)浪流干擾信號(hào)構(gòu)成；所說(shuō)的自抗擾控制器的輸入端接收航向設(shè)定信號(hào)和由實(shí)際航向信號(hào)做比較，經(jīng)自抗擾控制器處理后，輸出端連接舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的輸入端，傳遞輸出控制信號(hào)；舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)輸出端連接船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型輸入端；輸出端實(shí)際航向連接自抗擾控制器輸入端。
[0008]上述所說(shuō)的自抗擾控制器由TD(跟蹤微分器)、ESO(擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器)和NLSEF (非線性狀態(tài)誤差反饋)三個(gè)部件組成；其中，給定航向信號(hào)連接到TD輸入端，安排過(guò)渡過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)的快速無(wú)超調(diào)跟蹤，并給出良好的微分信號(hào)；被控對(duì)象的輸入控制信號(hào)及實(shí)際航向信號(hào)連接到ESO，用來(lái)估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)，得到系統(tǒng)被控對(duì)象的狀態(tài)估計(jì)；與微分信號(hào)比較后得到的誤差信號(hào)連接到NLSEF信號(hào)輸入端，經(jīng)過(guò)合適的“非線性配置”，就實(shí)現(xiàn)了非線性狀態(tài)誤差反饋控制律，從信號(hào)輸出端將控制信號(hào)輸出，送入舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的輸入端。
[0009]上述所說(shuō)的舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)和船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，建立包含舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的船舶運(yùn)動(dòng)一體化數(shù)學(xué)模型，即考慮舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的改進(jìn)二階Nomoto非線性響應(yīng)模型。
[0010]上述所說(shuō)的風(fēng)浪流干擾信號(hào)采用綜合綜合正態(tài)分布隨機(jī)干擾和綜合均勻隨機(jī)干擾信號(hào)。
[0011]本發(fā)明的工作原理:實(shí)際航向信號(hào)傳送給自抗擾控制器；自抗擾控制器將給定航向信號(hào)和實(shí)際航向信號(hào)分別進(jìn)行處理，將給定航向信號(hào)安排過(guò)渡過(guò)程處理，對(duì)實(shí)際航向信號(hào)經(jīng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器處理，再將以上兩類(lèi)信號(hào)分別相減處理，得到誤差信號(hào)和誤差信號(hào)的微分信號(hào)，然后將其進(jìn)行非線性組合處理之后輸出控制信號(hào)至舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的船舶運(yùn)動(dòng)一體化數(shù)學(xué)模型；船舶運(yùn)動(dòng)一體化數(shù)學(xué)模型收到自抗擾控制器輸出的控制信號(hào)后，經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理，調(diào)整舵角，改變船舶航向，從而達(dá)到控制船舶航向的目的。
[0012]本發(fā)明的有益效果是，船舶航向自抗擾控制器克服了船舶運(yùn)動(dòng)具有大慣性、非線性等特點(diǎn)，使船舶航向切換控制過(guò)程快速、平滑，操舵量小，可以實(shí)現(xiàn)高精度的船舶航向保持控制。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的自抗擾控`制器。圖中TD是跟蹤微分器，ESO是擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，NLSEF是非線性狀態(tài)誤差反饋，V是系統(tǒng)輸入信號(hào)，跟蹤微分器的V1是安排過(guò)渡過(guò)程，V2,…，Vn為此過(guò)渡過(guò)程的各階導(dǎo)數(shù)，Z1,…，Zn為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)被控對(duì)象的狀態(tài)變量的估計(jì)，zn+1視為對(duì)未知擾動(dòng)(包括外界擾動(dòng)及不確定模型)的估計(jì)，ei，…，en為上述兩種變量的偏差，U0為誤差反饋控制量，u為控制量，y為系統(tǒng)輸出信號(hào)，CO為外部擾動(dòng)信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]一種船舶航向自抗擾控制器，見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)由包括自抗擾控制器(I)、舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)(2)、船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型(3)、風(fēng)浪流干擾信號(hào)(4)構(gòu)成；所說(shuō)的自抗擾控制器的輸入端接收航向設(shè)定信號(hào)和由實(shí)際航向信號(hào)做比較，經(jīng)自抗擾控制器處理后，輸出端連接舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的輸入端，傳遞輸出控制信號(hào)；舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)輸出端連接船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型輸入端；輸出端實(shí)際航向連接自抗擾控制器輸入端。
[0017]自抗擾控制器(1)，見(jiàn)圖2，由TD(跟蹤微分器)、ESO(擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器)和NLSEF(非線性狀態(tài)誤差反饋)三個(gè)部件組成；其中，給定航向信號(hào)連接到TD輸入端，安排過(guò)渡過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)的快速無(wú)超調(diào)跟蹤，并給出良好的微分信號(hào)；被控對(duì)象的輸入控制信號(hào)及實(shí)際航向信號(hào)連接到ES0，用來(lái)估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)，得到系統(tǒng)被控對(duì)象的狀態(tài)估計(jì)；與微分信號(hào)比較后得到的誤差信號(hào)連接到NLSEF信號(hào)輸入端，經(jīng)過(guò)合適的“非線性配置”，就實(shí)現(xiàn)了非線性狀態(tài)誤差反饋控制律，從信號(hào)輸出端將控制信號(hào)輸出，送入舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的輸入端。本系統(tǒng)采用二階自抗擾控制器。
[0018]根據(jù)二階自抗擾控制器的設(shè)計(jì)可以得到控制算法為:
[0019](I) TD離散算法
[0020]二階TD的離散形式為:
【權(quán)利要求】
1.一種船舶航向自抗擾控制器，其特征在于該系統(tǒng)由包括自抗擾控制器、舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)、船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、風(fēng)浪流干擾信號(hào)構(gòu)成；所說(shuō)的自抗擾控制器的輸入端接收航向設(shè)定信號(hào)和由實(shí)際航向信號(hào)做比較，經(jīng)自抗擾控制器處理后，輸出端連接舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的輸入端，傳遞輸出控制信號(hào)；舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)輸出端連接船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型輸入端；輸出端實(shí)際航向連接自抗擾控制器輸入端。
2.上述所說(shuō)的自抗擾控制器由TD(跟蹤微分器)、ESO(擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器)和NLSEF(非線性狀態(tài)誤差反饋)三個(gè)部件組成；其中，給定航向信號(hào)連接到TD輸入端，安排過(guò)渡過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)的快速無(wú)超調(diào)跟蹤，并給出良好的微分信號(hào)；被控對(duì)象的輸入控制信號(hào)及實(shí)際航向信號(hào)連接到ESO，用來(lái)估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)，得到系統(tǒng)被控對(duì)象的狀態(tài)估計(jì)；與微分信號(hào)比較后得到的誤差信號(hào)連接到NLSEF信號(hào)輸入端，經(jīng)過(guò)合適的“非線性配置”，就實(shí)現(xiàn)了非線性狀態(tài)誤差反饋控制律，從信號(hào)輸出端將控制信號(hào)輸出，送入舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的輸入端。
3.上述所說(shuō)的舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)和船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，建立包含舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的船舶運(yùn)動(dòng)一體化數(shù)學(xué)模型，即考慮舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的改進(jìn)二階Nomoto非線性響應(yīng)模型。
4.上述所說(shuō)的風(fēng)浪流干擾信號(hào)采用綜合綜合正態(tài)分布隨機(jī)干擾和綜合均勻隨機(jī)干擾信號(hào)。
【文檔編號(hào)】B63H25/36GK103661909SQ201210318796
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月3日
【發(fā)明者】潘為剛, 肖海榮, 王常順, 韓耀振, 周應(yīng)兵, 周風(fēng)余 申請(qǐng)人:山東交通學(xué)院