基于非线性H_∞逆优化输出反馈控制器的船舶航向运动控制方法

摘要

本发明公开一种基于非线性H_∞逆优化输出反馈控制器的船舶航向运动控制方法，通过设计船舶航向运动及海浪干扰滤波器，结合船载罗经实时采集的船舶航向信息，估计出船舶舵作用产生的航向运动信息，以及海浪扰动信息，再结合估计得到的航向运动信息利用基于船舶航向局部优化H_∞控制器而设计的船舶航向运动H_∞逆优化控制器，得到最优控制舵角，最终使船舶沿预定航向运动；并设计了控制效果监控器实时记录船舶的航向角与控制舵角，判断船舶是否能够跟踪船舶航向参考模型，若跟踪效果不好，则及时调整控制器。

主权项

一种基于非线性H_∞逆优化输出反馈控制器的船舶航向运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：执行器接收到指令航向，开始进行船舶航向运动控制；步骤二：利用船载罗经实时测量舰船航向角，将航向角信息传输至船载计算机，利用船舶航向运动及海浪干扰滤波器估计出船舶舵作用产生的船舶航向角ψ_L的估计值船舶舵作用产生的船舶航向角速率r_L的估计值由海浪扰动产生的高频航向角ξ_H的估计海浪扰动产生的高频航向角速率ψ_H的估计值及海浪低频扰动量n的估计值通过对高低频航向运动参数的辨识分离，从受海浪扰动的测量信号中重构了低频运动信号，实现海浪滤波；所涉及的船舶航向运动及海浪干扰滤波器表达式为式中，ω_n为遭遇频率，ζ_n表示附加阻尼，且有ζ_n∈[0.01,0.1]；为滤波误差，且有ψ＝ψ_L+ψ_H＝ψ_L+C_wξ；其中n₃、n₁为常数，对航向不稳定的船舶有n₁＜0，航向稳定n₁＞0；u＝δ，T为追随性时间指数，K为舵增益系数，δ为控制舵角；k₁∈R²，k₂、k₃、k₄∈R为滤波增益系数，且满足k₁＝‑2(ζ_i‑ζ_n)ω_c/ω_n，k₂＝2(ζ_i‑ζ_n)ω_n,k₃＝ω_c，ζ_i为陷波滤波阻尼、且ζ_i＞ζ_n，ω_c为截止频率、且ω_c＞ω_n；T_n为偏移时间常数，T_n＞＞1且步骤三：将步骤二中估计得到的传输至基于船舶航向运动局部优化H_∞控制器而设计的船舶航向运动H_∞逆优化控制器，形成最优控制舵角指令，进而作用于舵机，产生实际舵角；控制效果监控部分实时记录船舶的航向角与控制舵角；所涉及的船舶航向运动局部优化H_∞控制器为其中u＝δ，ψ_d为理想航向角；所涉及的船舶航向运动H_∞逆优化控制器为u_l＝‑R^‑1B^TPx              (3)式中，u_l为代价函数最优的控制器；R为第一加权系数矩阵，P＝P^T＞0；所涉及的代价函数表达式为PA+A^TP+P(γ^‑2DD^T‑BR^‑1B^T)P+Q＝0    (4)式中，Q为第二加权系数矩阵，γ为给定的最优扰动抑制指标，且有γ≥γ^*，γ^*为非最优扰动抑制指标；步骤四：重复步骤二、步骤三，直至船舶按照指令航向运动。