基于时标分离的船舶航行控制研究

基于时标分离的船舶航行控制研究

0船舶通航控制的反步设计在船舶控制中，船舶的行驶和速度是重要的控制对象。这在确保船舶航行安全和轨迹跟踪方面发挥着重要作用，对推动作业人员交通变得越来越重要。喷水推进器产生的矢量推力与航速保持和航向控制存在着较强的耦合,并且这种作用是非线性的,因此,航向和航速的控制难度较常规螺旋桨推进、舵控制的船要大。本文结合喷水推进船舶航向和航速控制的特点,根据其时间响应的不一致将控制系统分解为航向快控制回路和航速慢控制回路,将航向和航速变化引起的作用力的相互耦合关系归入其系统扰动影响,并计入喷角转动特性和动力转速调节特性。由于系统的不确定性并非都发生在输入通道中,因此它是一类不匹配不确定系统。滑模控制器能够在保证系统稳定的基础上很好地抑制扰动对系统的影响,而反步设计方法在设计不确定系统的滑模控制器方面,特别是当干扰或不确定性不满足匹配条件时,具有明显的优越性。另一方面动态逆对反步设计中逆求解精确性的提高有很大好处。因此本文运用反步滑模控制的方法,解决航向控制问题;通过动态逆模型与原推力模型综合,形成伪线性系统,保持反步方法的通用性,设计航速控制器,达到对船舶控制的目的。本文提供的方法适用于较广泛的矢量推进不确定控制系统。1控制结构与分离水流的数学模型1.1基于奇摄动理论的双轨式控制系统在喷水推进船舶航向和航速控制过程中,为了便于使用单输入单输出不确定非线性控制方法,基于船舶状态变量在时间尺度上具有明显差异这一事实,应用奇异摄动理论,将控制系统分解成快慢变化不同的回路。对于每一个快回路和慢回路来说,系统的微分方程较易表达成仿射非线性形式,因而容易解出相应的控制输入。1.2nv、nrrrr2+nrrr2+nrrrr2+n挡-nzs-qp见表2喷水船舶的航向/航速控制模型包括航向/航速控制模型,喷水推力模型以及柴油机和喷口调节模型。这是一个两输入两输出非线性模型,本文在航向/航速分离控制结构基础上将其分解为两个单输入单输出结构,其控制模型如下所述。(1)航向控制系统式中,fr(r)=(Nvv+Nrr+Nvv|r|v2r+Nvrrvr2+Nrrrr+NW)/(Izz+Jzz),y为航向,u为纵向航速,δ为喷水角度,Nv、Nr、Nvvr、Nvrr、Nrr为艏摇水阻力系数,NW为海浪的艏摇力矩,Br=HNP/(Izz+Jzz),Izz为艏摇转动惯量,Jzz为艏摇附加转动惯量,fδ(δ)=-δ/Tδ,Bδ=Kδ/Tδ,u=δE,δE为命令喷口角,Tδ为舵机时间常数,Kδ为舵机的控制增益。(2)船舶在航行过程中,由于船舶横向速度较小,认为u≈Vs。所以航速控制系统式中,fu(u)=(Xuuu|u|+Xvrvr+Xvvv2+Xrrr2+(m+my)vr+XW)/(m+mx),v为横向速度,n为柴油机转速,Xuu、Xvr、Xvv、Xrr为纵向水阻力系数,XW为海浪纵向阻力,fn(n)=-βn/Ta,nB=k/Ta,aT为柴油机转速上升时间常数,β为柴油机自调系数,Bu(n)=HXP/(m+mx),它是非线性函数。2启动和减速系统的设计2.1变换形式的定义新状态对式(1)表达的航向控制系统,进行状态变换,定义新状态为则式(1)和式(2)变换为如下形式从而实现了系统的整体镇定。因此船舶航向控制系统的控制律为式(12)。2.2主体的合、设计控制器逆系统方法近年来得到了迅速的发展,其通过动态逆模型与原模型综合,形成伪线性系统,再用线性控制方法进行综合、设计控制器。其原理如下:航速控制的具体步骤:对式(3)表示的系统,是可逆非线性函数,则Bu-1(T)=n。因此在控制中可以将T作为虚拟控制量,控制系统形式上与自适应反步中的形式一致。令。则。它的同胚微分为z1=x1-xd,z2=x2-a1,z3=x3-a2。利用的反步控制的方法就可以得到控制输入量,其中:。3船舶的参数特性将上述控制器代入船舶综合仿真环境。在船舶航行中船舶水动力参数随速度发生变化,仿真以速度u=15m/s为例,设定船舶|r|≤1rad/s,|Δu|≤3m/s,|v|≤2m/s,|φ|≤10°。船舶的参数按表1为准。可以得到系统参数,fr0=-0.18,|Δfr|≤0.21,,ΔBrmax=0.012,取Tδ0=0.2,ΔTδ≤0.03,Kδ0=5,|ΔKδ|≤0.5,则fδ0=-25,Bδ0=25,|Δfδ|≤3.26,|ΔBδ|≤3.26。本文选取λ1=1,λ2=2,λ3=2.5,φ1=0.1,φ2=0.2,φ3=0.25。3.1综合控制性能测试在仿真过程中,首先对航向和航速控制器分别进行测试,然后测试综合控制效果。(1)航向控制仿真:不考虑海浪干扰,改变船舶航向,检验控制器的动态响应能力,系统仿真结果如下:3.2控制器的鲁棒性仿真考虑海浪干扰,即在非控制通道加入不匹配干扰,在仿真环境中加入遭遇角为135°的4级海浪,浪高1m为例,海浪的频率约为ω≈0.3∼3rad/s。则k≈0.0092∼0.92,遭遇频率为eω≈(0.3-0.0092u)~(3-0.92u),等效的Δfr和纵向阻力为将海浪等效干扰加入系统,改变系统的动态方程,用同一控制规律再进行仿真,验证控制器的鲁棒性。控制效果如下:表2给出了在几组不同的船舶参数下船舶速度波动的均方值,同时给出了未控制的速度波动的均方值。3.3控制器的鲁棒性从仿真结果可以看出,设计的航向和航速控制器能够实现对设定的输出进行跟踪,而且,当在给定的界限范围内改变系统的动态方程时,控制器具有较强的鲁棒性,仍能实现精确控制。在的海浪干扰作用下,控制器能较好地保持船舶航向和航速的稳定。当船舶参数在一定范围内变化时,设计的非线性控制器表现出良好的鲁棒性,仍能使船舶的速度波动减小80%以上。4基于lyapunom函数的飞行控制仿真根据喷水推进器喷口转动特性和动力的转速调节特性,将航向和航速控制系统进行分离,分成单独的航向控制和航速控制系统,运用反步控制法,结合动态逆的思想,设计基于动态逆的反步航速控制系统,又将反步和滑模控制相结合,设计了反步滑模的航向控制系统。这两控制器都很好的解决了航向和航速控制系统中遇到的非匹配不确定问题,能够取得较好的控制效果。偏差方程为:。在反步设计中,取Lyapunov函数为Vi=Vi-1+si2/2,考虑到变结构控制存在抖动现象,本节直接把边界层应用到滑动面的设计中,定义如下的滑动区域函数:式中sat(⋅)为饱和函数。当si=0时,则,φi>0为一常数,即是边界层厚度。每步分别对si求导,确定出zi,使si→0,因此,若μi+1的期望值,则,只要在下一步中使si+1→0便可以确保系统稳定,最后对sn求导,确定实际控制作用μ,使sn→0。和均包含着控制输入μ,将它们分别写成,则式中假设考虑到第n-1步中,中含有sn-1sn,通过对求得的μ′进行适当修正来得到实际控制μ,系统在标称模型下满足sn=0,可得等效控制μeq=-b0-1a0,则变结构控制作用μ′为其中k>0。有取,则有,从而保证了sn的渐进稳定性。为实现