一種包含輸入時滯的氣墊船航跡向的魯棒控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于氣墊船航跡向控制領域，尤其涉及一種包含輸入時滯的氣墊船航跡向 的魯棒控制方法。
【背景技術】
[0002] 全墊升氣墊船是一種新型的高技術船舶，在工業中有著重要的作用。該類型船舶 由于特殊的構造和運動方式，因而與常規船有著很大不同。對于常規船，其側向水阻力較 大，難以產生明顯的側漂，因而艏向角與航跡向之間的差別不大，這樣就可以通過航向控制 來代替運動方向的控制。然而對于全墊升氣墊船，因其航行速度快，受到慣性影響或風的干 擾時容易發生側漂，其艏向角與航速方向通常有較大差別，因此對于航跡向的控制不能簡 單的歸結為航跡控制。
[0003] 2011碩士論文"全墊升氣墊船航跡向控制專家系統研究"運用專家系統對于氣墊 船航跡向進行控制，但是該方法的實時性較差，沒有考慮到控制輸入的延遲，對于高速運行 的氣墊船來講實用性和魯棒性均有所不足。
[0004] 氣墊船的一些參數受周圍環境的影響比較大，這就導致其建模會存在一定的不確 定性，因而，對于氣墊船的航跡向進行魯棒控制具有重要的實際意義。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種具有高穩定性與魯棒性的，包含輸入時滯的氣墊船航跡 向的魯棒控制方法。
[0006] 一種包含輸入時滯的氣墊船航跡向的魯棒控制方法，包括以下步驟，
[0007] 步驟一：通過氣墊船的傳感器系統得到氣墊船運動的狀態向量，包括縱向速度U、 側向速度v以及轉首角速度r;
[0008] 步驟二：根據傳感器系統采集的數據，得到氣墊船當前運動的航跡向
[0009]
[0010] 步驟三：根據控制器輸入進入執行器后的反應時間，引入輸入時滯環節，建立包含 輸入時滯的狀態空間模型：
[0011]
[0012] 其_
3為慣性矩陣，D>0為線性阻尼矩陣，t為 控制量，b為環境干擾，d(t)為時變時滯，滿足：
[0013]
[0014] 其中d為時變時滯的上界，ii為時滯變化限制；
[0015] 步驟四：將航跡向傳送給魯棒控制器，得到控制指令傳送給執行器，實現航跡向控 制。
[0016] 本發明一種包含輸入時滯的氣墊船航跡向的魯棒控制方法，還可以包括：
[0017] 1、魯棒控制器為：
[0018] T(t) =Kx(t)
[0019] 根據Lyapunov-Krasovskii穩定性理論、H-infinity控制理論和氣墊船向控制的 實際需要，構造Lyapunov-Krasovskii函數，得到滿足狀態反饋控制器的時滯依賴的充分 條件：
[0020]
[0021] 其中，P>0,QAO,Q2>0,Z>0,NT=(NjN2TN3TN4T 0)LT=(LjL2TL3TL4T 0)，N"i =1，2,3,4)，11(1 = 1，2,3,4)為矩陣，1>0，矩陣右上角的1'表示該矩陣的轉置，〇 = 丫 \ax+V(0)，bmax為環境干擾能量的最大值，ymax為最大漂角，V(0)為Lyapunov-Krasovskii 函數V(t)在t= 0時的值；
[0022] 利用遺傳算法得到控制器增益K的最優解，優化目標為：
[0023] r
[0024] 優化條件為控制器的時滯依賴的充分條件。
[0025] 有益效果：
[0026] 在氣墊船航跡向控制中，當控制器的控制信號進入執行器的過程中，不可避免的 存在時間延遲的現象，對于高速的氣墊船來講，對于這樣的時滯環節尤其敏感，忽略該時滯 環節會影響氣墊船的航跡向控制的控制性能，甚至引起控制系統的不穩定，因而在對氣墊 船進行建模分析的時候，引入時滯項在理論和實際中都具有非常重要的作用和意義。
[0027] 遺傳算法是一種有效的最優化智能算法，能夠保證得到優化問題的全局最優解， 將其用于線性矩陣不等式的求解過程中，可以確保所獲得的控制器增益的最優性。
[0028] 本發明引入輸入時滯環節使得氣墊船的模型更為精確，有利于系統的分析與綜 合，設計的控制器更具有實用性和魯棒性，保守性較低且易于實現，遺傳算法則保證了魯棒 控制器設計的最優。
【附圖說明】
[0029] 附圖1航跡向與艏向角、漂角的計算關系；
[0030] 附圖2航跡向控制系統方框圖；
[0031] 附圖3遺傳算法流程圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0033] 一種包含輸入時滯的氣墊船航跡向魯棒控制方法，包括以下步驟：通過氣墊船傳 感器系統得到船舶的運動狀態，經過航跡向計算器得到當前船舶運動的航跡向，根據氣墊 船的運動模型，建立了包含輸入時滯的狀態空間模型，構造合適的Lyapunov-Krasovskii 函數，得到LMI形式的魯棒控制器設計條件，運用遺傳算法求解線性矩陣不等式問題，得到 控制器增益。進而通過執行器對于氣墊船航跡向進行調節。
[0034] 在考慮了控制器輸入進入執行器后的反應時間，引入了輸入時滯環節，根據航跡 向的計算方式，設定了控制輸出，將氣墊船的四自由度運動模型轉化為包含輸入時滯的氣 墊船的狀態空間模型，同時，根據漂角、航跡向和艏向角的關系，設定特定的輸出量，得到系 統的模型和航跡向計算器：
[0035]
[0036]
[0037] 其中積分項可以根據氣墊船所設定的艏向角規定為一定范圍的常數。
[0038] 構造合適的Lyapunov-Krasovskii函數，運用自由權矩陣法得到了線性矩陣不等 式形式的魯棒控制器設計條件，運用遺傳算法優化計算控制器設計條件，得到最優的控制 器增益。
[0039] 1.對氣墊船建立了包含輸入時滯的狀態空間模型
[0040] 2.設計航跡向計算器，通過傳感器系統的數據在線得到航跡向角
[0041] 3.構造Lyapunov-Krasovskii函數，得到LMI形式的魯棒控制器設計條件
[0042] 4.運用遺傳算法求解線性矩陣不等式問題，得到控制器增益
[0043] 本發明公開了一種包含輸入時滯的氣墊船航跡向的魯棒控制方法，解決了氣 墊船航跡向的魯棒控制問題。考慮控制器的控制指令進入執行器后的反應時間和航跡 向的計算方式，建立包含輸入時滯的氣墊船的狀態空間模型，并且設計了易于實現的 航跡向計算器。為了保證控制器在一定的干擾下滿足一定的魯棒性能，構造了合適的 Lyapunov-Krasovskii函數，引入自由權矩陣，得到了保守性較低且參數較少的LMI形式的 控制器設計條件，利用遺傳算法得到了最優的控制器增益，進而通過執行器控制氣墊船的 航跡向。本發明引入輸入時滯環節使得氣墊船的模型更為精確，有利于系統的分析與綜合， 設計的控制器更具有實用性和魯棒性，保守性較低且易于實現，遺傳算法則保證了魯棒控 制器設計的最優。
[0044] 1.通過氣墊船的傳感器系統得到氣墊船運動的狀態向量，主要包括氣墊船的縱向 速度u、側向速度v以及轉首角速度r等。
[0045] 2.航跡向計算器設計：
[0046] 結合附圖1，得到航跡向的計算公式：
[0047]
[0048] 其中：輯-航跡向
[0049] 邊-艏向角
[0050] 0 _ 漂角
[0051] 整個控制系統通過傳感器系統得到了氣墊船的縱向速度、側向速度和艏向角，根 據物理意義可得
[0052] 因此可以通過氣墊船四自由度模型中的變量得到航跡向計算器：
[0053]
[0054] 其中積分項可以根據氣墊船所設定的艏向角規定為一定范圍的常數，這樣可以減 少航跡向計算的時間。根據附圖2,在得到氣墊船當前航跡向角度之后，與預設的航跡向進 行比較，從而得到航跡向的修正值。
[0055] 3.構造包含時滯環節的氣墊船航跡向控制的狀態空間模型
[0056] 根據氣墊船的運動模型，選擇狀態變量為x=(uvr)T，建立氣墊船的狀態空間模 型：
[0057]
[0058] 其中.
為船舶慣性矩陣，D>0為線性阻尼矩陣， t為控制量，b為環境干擾，且環境干擾有界，具體形式為：
[0059]
[0060] 由于控制目標是減小漂角，根據漂角的計算公式可得，需要輸出的縱向速度和側 向速度的差盡量小，因此，選擇輸出量：
[0061] y(t) =Cx(t) (4)
[0062] 其中C=(-110)
[0063] 綜上所述，得到氣墊船的狀態空間模型：
[0064]
[0065] 為了貼近工程實際，我們考慮了控制器到執行器的輸入時滯，氣墊船的線性模型 可以改為：
[0066]
[0067]其中d(t)為時變時滯，滿足：
[0068]
[0069]其中d為時變時滯的上界，y為時滯變化限制。
[0070]4.魯棒控制器設計條件
[0071] 將該控制器設計問題表述為一個標準H-infinity問題：設個狀態反饋控制 器
[0072] X(t) =Kx(t) (8)
[0073] 該控制使得：氣墊船狀態空間模型閉環系統（9)漸近穩定，且在零初始條件下，滿 足I|Tyb| <y，其中Tyb表示環境干擾到控制輸出的閉環傳遞函數，且有0〈y〈①。
[0074]
[0075] 我們根據Lyapunov-Krasovskii穩定性理論、H-infinity控制理論和氣墊船航跡 向控制的實際需要，構造了合適的Lyapunov-Krasovskii函數，引入自由權矩陣減少結果 的保守性，得到了滿足上述H-infinity標準問題要求的狀態反饋控制器設計的時滯依賴 的充分條件：
[0076]
[0077]其中，P>0,QA0,Q2>0,Z>0,NT=(NJN2TN3TN4T 0)
[0078]LT= (L/L2TL3TL4T 0)，矩陣Ndi= 1,2,3,4)，1^(1 = 1,2,3,4)為任意合適維數的 矩陣，T>0,矩陣右上角的T表示該矩陣的轉置