專利名稱：船舶航向變論域模糊與最小二乘支持向量機復合控制方法
技術領域：
本發明涉及船舶航行與姿態控制方法，特別是一種船舶航向精確控制方法。
背景技術：
船舶航向控制是一個復雜而又十分重要的船舶運動控制問題，它對船舶的安全性、經濟性都有很大的影響，這使其在船舶運動控制領域越來越受到重視。由于船舶運動的復雜性，且受到環境的影響是隨機和難以預測的，以某一確定性數學模型為基礎的控制算法并沒有完全解決船舶航向控制問題，設計非線性控制器不失為一種較好的思路。近年來， 隨著計算機技術和現代化控制理論的不斷發展，研究者開始著眼于類似于人工操舵的智能控制方法，并將遺傳算法、神經網絡、模糊控制和魯棒控制等應用到船舶航向控制當中。針對船舶航向控制系統中存在的大量不確定因素，及對控制系統的實時性要求， 提出了一種基于變論域模糊-最小二乘支持向量機(Least Squares Support Vector Machines, LS-SVM)的船舶航向控制設計方案。經對現有的技術文獻檢索發現，CNKI數據庫中的名稱為“一種基于PD與模糊復合控制的船舶航向變結構控制器”的文獻中，是一種PD控制器和模糊控制器有機結合的船如航向復合控制方法進行了研究。但與本發明的船舶航向變論域模糊-最小二乘支持向量機復合控制不同。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能提高船舶航向控制精度和魯棒性的船舶航向變論域模糊與最小二乘支持向量機復合控制方法。本發明的目的是這樣實現的首先，設定期望航向角，船舶航行過程中，實際航向角的反饋值與設定期望航向角形成航向角偏差，再利用微分計算求取航向角偏差的變化率；其次，根據航向角偏差值的大小，通過伸縮因子調整航向角偏差及偏差變化率的輸入論域，產生新的航向角偏差和航向角偏差變化率，并將新的航向角偏差及偏差變化率送入變論域模糊控制作為兩個輸入變量，經模糊規則得到航向控制所要求的控制規律，輸出舵角指令信號送入舵機伺服進行操舵，船舶在舵的控制下把航向改變到期望航向角，完成船舶航向變論域模糊閉環控制；由于兩輸入模糊控制器實質為PD調節器，存在穩態精度差，利用最小二乘支持向量機良好的非線性映射逼近能力，由實際系統的輸出經中間存儲而獲得航向角、舵角、轉艏角速率時間序列作為輸入向量訓練最小二乘支持向量機的網絡結構，動態辨識船舶航向運動逆模型，并產生前饋補償控制信號，降低穩態誤差；最后，完成船舶航向變論域模糊-最小二乘支持向量機復合控制，使船舶的航向按指令航向精度跟蹤給定期望航向。本發明的優點在于(1)船舶航向變論域模糊控制不需要依靠精確的船舶運動數學模型和太多的領域專家知識，在規則形式不變的前題下，論域隨著誤差變小而收縮，亦可隨著誤差增大而擴展，論域收縮相當于增加規則，從而提高了模糊控制的精度。(2)最小二乘支持向量機是支持向量機的一種改進，保留支持向量機的小樣本學習特性，并將支持向量機中的解線性方程組問題代替求解二次規劃問題，提高了船舶運動逆模型求解問題的收斂精度和速度。(3)船舶航向變論域模糊-最小二乘支持向量機復合控制充分利用變論域模糊控制精度較高、且具有較大穩定域及最小二乘支持向量機簡單高效的非線性系統建模能力的各自優勢，提高了船舶航向控制的精度。
圖1為船舶航向變論域模糊-最小二乘支持向量機復合控制結構圖。圖2為船舶航向變論域模糊控制結構圖。圖3為船舶航向最小二乘支持向量機逆模型結構圖。
具體實施例方式結合圖1、圖2所示，￥d(k)為期望航向角，Ψ (k)為k時刻的實際系統輸出航向角， w(k)為外界干擾，航向角偏差Δ ψ (k)由vd(k)-v (k)計算得到；在圖2中用θψ (k)表示，
對航向角偏差ev(k)做微分變換，得到航向角偏差變化率％/幻=^^，然后將航向角偏
at
差(k)和航向角偏差變化率^^作為變論域模糊控制的兩個輸入，再經過輸入論域伸
at
de (k)de (k)
縮因子α (ev(k))和風e (幻，^^)變換，由變論域模糊控制函數運算
atat
給出舵角S (k)，舵角δ (k)通過輸出論域伸縮因子Y (δ (k))轉換，得到變論域模糊控制
輸出舵角八(k)，舵機伺服根據指令舵角SF(k)進行操舵，船舶在舵的控制下把航向改變
到期望航向角，形成船舶航向變論域模糊控制。
設X = [-E，E]、Y = [-EC，EC]分別為航向角偏差和航向角偏差變化率的輸入論域，V = ["U, U]為舵角輸出論域。輸入論域的α (ev(k))和風^ (幻，^^)形式為舵角輸出論域伸縮因子為水<5(k)) = P^),其中，τ為可調參數0< τ <1。變論域模糊控制的隸屬函數可取為“三角波”，至于論域是否等距劃分，隸屬函數取什么樣的形狀，在論域伸縮之下顯得無關緊要了。結合圖1、圖3所示，最小二乘支持向量機網絡的主要作用是通過樣本數據訓練建立船舶操縱系統的逆動力學模型，并產生前饋補償控制信號，減小變論域模糊控制的穩態誤差。最小二乘支持向量機由船舶實際系統輸出經中間存儲而獲得航向角、轉艏角速率、舵角的時間序列作為輸入向量，設給定訓練樣本為{( , 5k), ，(Xk+1， δ k+1)} e (χ X ρ)1+1, Xk, ... , Xk+1為k時刻到k+1時刻的輸入向量，記
權利要求
1. 一種船舶航向變論域模糊與最小二乘支持向量機復合控制方法，其特征是首先， 設定期望航向角，船舶航行過程中，實際航向角的反饋值與設定期望航向角形成航向角偏差，再利用微分計算求取航向角偏差的變化率；其次，根據航向角偏差值的大小，通過伸縮因子調整航向角偏差及偏差變化率的輸入論域，產生新的航向角偏差和航向角偏差變化率，并將新的航向角偏差及偏差變化率送入變論域模糊控制作為兩個輸入變量，經模糊規則得到航向控制所要求的控制規律，輸出舵角指令信號送入舵機伺服進行操舵，船舶在舵的控制下把航向改變到期望航向角，完成船舶航向變論域模糊閉環控制；由實際系統的輸出經中間存儲而獲得航向角、舵角、轉艏角速率時間序列作為輸入向量訓練最小二乘支持向量機的網絡結構，動態辨識船舶航向運動逆模型，并產生前饋補償控制信號；最后，完成船舶航向變論域模糊-最小二乘支持向量機復合控制，使船舶的航向按指令航向精度跟蹤給定期望航向。
全文摘要
本發明提供了一種船舶航向變論域模糊與最小二乘支持向量機復合控制方法。設定期望航向角，實際航向角的反饋值與設定期望航向角形成航向角偏差，求取航向角偏差的變化率；調整航向角偏差及偏差變化率的輸入論域，產生新的航向角偏差和航向角偏差變化率并送入變論域模糊控制作為兩個輸入變量，經模糊規則得到航向控制所要求的控制規律，輸出舵角指令信號送入舵機伺服進行操舵；由實際系統的輸出經中間存儲而獲得航向角、舵角、轉艏角速率時間序列作為輸入向量訓練最小二乘支持向量機的網絡結構，動態辨識船舶航向運動逆模型產生前饋補償控制信號；船舶航向變論域模糊-最小二乘支持向量機復合控制，使船舶的航向按指令航向精度跟蹤給定期望航向。
文檔編號G05D1/02GK102183957SQ20111005229
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月4日 優先權日2011年3月4日
發明者傅薈璇, 劉勝, 常緒成, 李冰, 杜春洋, 王宇超 申請人:哈爾濱工程大學