一種考慮控制輸入約束的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種考慮控制輸入約束的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。包括導(dǎo)引系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、微分同胚變換器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，還包括控制輸入補(bǔ)償系統(tǒng)；導(dǎo)引系統(tǒng)根據(jù)輸入的期望值與船舶的初始位置，計(jì)算船舶在各個(gè)時(shí)刻的期望位姿及期望速度；傳感器采集船舶實(shí)際位姿信息和速度信息；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到船舶的低頻位姿信息和速度；微分同胚變換器得到新的狀態(tài)變量；控制系統(tǒng)根據(jù)新的狀態(tài)變量進(jìn)行相應(yīng)解算得到相應(yīng)的控制指令信息；控制指令信息傳遞給輸入約束補(bǔ)償系統(tǒng)經(jīng)補(bǔ)償后，得到最終的控制指令發(fā)送給船舶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本發(fā)明是一種模型存在未知非線性函數(shù)并考慮控制輸入約束時(shí)基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)的利用濾波反步法設(shè)計(jì)的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
【專利說明】一種考慮控制輸入約束的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。具體地說是一種模型存在未知非線性函數(shù)并考慮控制輸入約束時(shí)基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)的利用濾波反步法設(shè)計(jì)的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，陸地資源日益匱乏，豐富的海洋資源吸引著各國(guó)的目光，而各國(guó)也將注意力越來越多地投向了海洋工程和海洋開發(fā)。因此，與船舶控制相關(guān)的領(lǐng)域受到研究人員的廣泛關(guān)注，船舶航向控制、航跡控制、路徑跟蹤以及動(dòng)力定位技術(shù)等，已成為控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
[0003]在船舶運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)過程中，大多數(shù)文獻(xiàn)對(duì)動(dòng)力定位等全驅(qū)動(dòng)船舶的運(yùn)動(dòng)控制研究都沒有考慮推進(jìn)器的動(dòng)態(tài)特性及自然約束條件(飽和及死區(qū)特性)，這與實(shí)際應(yīng)用是有區(qū)別的；設(shè)計(jì)控制器時(shí)如果不考慮這些約束條件，其控制精度必然會(huì)受到影響。而且，目前大多數(shù)非線性控制方法都是基于模型信息的，而通常建立精確的系統(tǒng)模型是十分困難的，因此針對(duì)模型存在未知非線性函數(shù)時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)研究基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器的非線性控制方法是很有必要的。此外，利用常規(guī)反步法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的過程中，需要在每一步對(duì)虛擬控制量進(jìn)行求導(dǎo)，如果系統(tǒng)階數(shù)增加，不僅使得求導(dǎo)過程復(fù)雜，也對(duì)系統(tǒng)特性提出了要求。為了避免在反步控制器設(shè)計(jì)過程中對(duì)虛擬控制量進(jìn)行求導(dǎo)，引入二階濾波器對(duì)虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近，以簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)過程；濾波器的引入也可以增強(qiáng)控制器對(duì)噪聲的抑制能力。
[0004]大連海事大學(xué)卜仁祥的2007年博士論文《欠驅(qū)動(dòng)水面船舶非線性反饋控制研究》，其針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)水面船舶的運(yùn)動(dòng)控制問題，只考慮了輸入飽和特性，而并未考慮死區(qū)特性；華南理工大學(xué)周洪波等在《控制與決策》(2012年第4期)發(fā)表的文章《基于濾波反步法的無人直升機(jī)軌跡跟蹤控制》針對(duì)無人直升機(jī)設(shè)計(jì)了濾波反步法的軌跡跟蹤控制器，用濾波器對(duì)虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近，而不是直接對(duì)虛擬控制量進(jìn)行求導(dǎo)，簡(jiǎn)化了控制器設(shè)計(jì)；華南理工大學(xué)賀躍幫等在《華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)》(2013年第2期)發(fā)表的文章《無人直升機(jī)魯棒積分濾波反步法飛行控制設(shè)計(jì)》對(duì)濾波反步法在無人直升機(jī)軌跡跟蹤中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，并通過引入積分項(xiàng)和魯棒項(xiàng)提高閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾能力。但是以上文獻(xiàn)均是針對(duì)模型已知的系統(tǒng)進(jìn)行的控制器設(shè)計(jì)，且均未考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的飽和特性和死區(qū)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種無需已知船舶精確模型，魯棒性好，控制精度高的考慮控制輸入約束的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]包括導(dǎo)引系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)3、傳感器系統(tǒng)13、微分同胚變換器7、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8，還包括控制輸入補(bǔ)償系統(tǒng)2，所述傳感器系統(tǒng)13包含位姿傳感器12和速度傳感器11 ;導(dǎo)引系統(tǒng)5根據(jù)輸入的期望值與船舶的初始位置，計(jì)算船舶在各個(gè)時(shí)刻的期望位姿及期望速度；位姿傳感器12與速度傳感器11分別采集船舶實(shí)際位姿信息和速度信息，并傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8 ;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10及濾波系統(tǒng)9處理后，得到船舶的低頻位姿信息和速度；船舶的低頻位姿信息和速度傳遞給微分同胚變換器7，經(jīng)變換后得到新的狀態(tài)變量；控制系統(tǒng)3的濾波反步控制器4和自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6根據(jù)新的狀態(tài)變量進(jìn)行相應(yīng)解算；自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)5和微分同胚變換器7的數(shù)據(jù)，對(duì)控制器所需的未知非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)；濾波反步控制器同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)5的期望位置和速度、微分同胚變換器7的新的狀態(tài)變量，以及自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6提供的對(duì)未知非線性函數(shù)的估計(jì)，經(jīng)解算得到相應(yīng)的控制指令信息；控制系統(tǒng)3將控制指令信息傳遞給輸入約束補(bǔ)償系統(tǒng)2，經(jīng)輸入飽和補(bǔ)償器16和死區(qū)補(bǔ)償器15的補(bǔ)償后，得到最終的控制指令，將控制指令發(fā)送給船舶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整船舶的縱向推力、橫向推力及轉(zhuǎn)首力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的準(zhǔn)確控制。
[0008]本發(fā)明還可以包括:
[0009]1、所述控制系統(tǒng)3的濾波反步控制器4和自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6根據(jù)新的狀態(tài)變量進(jìn)行相應(yīng)解算是指:控制系統(tǒng)3中自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6根據(jù)微分同胚變換器7提供的新狀態(tài)變量以及導(dǎo)引系統(tǒng)5提供的期望信息，按自適應(yīng)律，通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)未知非線性函數(shù)、低頻干擾以及未建模動(dòng)態(tài)進(jìn)行綜合估計(jì)，得到控制器所需的非線性函數(shù)。
[0010]2、所述經(jīng)輸入飽和補(bǔ)償器16和死區(qū)補(bǔ)償器15的補(bǔ)償后得到最終的控制指令是指:控制輸入補(bǔ)償系統(tǒng)2對(duì)控制系統(tǒng)3的控制指令進(jìn)行判斷和處理，如果超出了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出界限，則通過輸入飽和補(bǔ)償器16對(duì)控制指令進(jìn)行輸入飽和補(bǔ)償；如果控制指令處于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)中，則通過死區(qū)補(bǔ)償器15對(duì)控制指令進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償。通過控制輸入補(bǔ)償系統(tǒng)2對(duì)控制指令的補(bǔ)償操作，可以提高控制系統(tǒng)的精度和適應(yīng)性。
[0011]本發(fā)明申請(qǐng)的導(dǎo)引系統(tǒng)5通過給定的期望目標(biāo)與船舶的初始位置，得到各時(shí)刻船舶的期望位姿及其導(dǎo)數(shù)(速度)，使得船舶經(jīng)過加速、勻速、減速運(yùn)動(dòng)，最后以期望的艏向平穩(wěn)地穩(wěn)定在期望位置；將得到的期望位姿及速度傳遞給控制系統(tǒng)3，以估計(jì)未知非線性函數(shù)和解算控制指令。
[0012]本發(fā)明申請(qǐng)的傳感器系統(tǒng)13分為位姿傳感器12和速度傳感器11，這些傳感器將采集的位姿及速度信息傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和濾波處理。
[0013]本發(fā)明申請(qǐng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8包括數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10和濾波系統(tǒng)9，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10將多種多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，得到對(duì)應(yīng)的信息，然后經(jīng)濾波系統(tǒng)9濾波，得到最終反饋給控制系統(tǒng)3的船舶運(yùn)動(dòng)信息，并傳遞給微分同胚變換器7。
[0014]本發(fā)明申請(qǐng)的微分同胚變換器7將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8提供的船舶位姿和速度信息進(jìn)行微分同胚狀態(tài)變換，得到新的狀態(tài)變量，以便進(jìn)行濾波反步控制器的設(shè)計(jì)。
[0015]6控制系統(tǒng)3包含自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6和濾波反步控制器4兩部分，自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)5的期望信息和微分同胚變換器7的新變量，并以一定的自適應(yīng)律對(duì)未知的非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并將估計(jì)結(jié)果傳遞給濾波反步控制器4，供其進(jìn)行控制指令的解算；濾波反步控制器4根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)5提供的期望信息，以及自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6對(duì)未知非線性函數(shù)的估計(jì)值，結(jié)合微分同胚變換器7的新變量，經(jīng)解算得到合適的控制指令。
[0016]本發(fā)明申請(qǐng)的輸入約束補(bǔ)償系統(tǒng)2包含輸入飽和補(bǔ)償器16和死區(qū)補(bǔ)償器15兩部分，輸入飽和補(bǔ)償器16將控制系統(tǒng)3得到的控制指令進(jìn)行判斷、處理后，傳遞給死區(qū)補(bǔ)償器15，如果控制指令在死區(qū)范圍之內(nèi)，則對(duì)控制指令進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償，否則則作為最終的控制指令，驅(qū)動(dòng)船舶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整船舶的位置和速度，以達(dá)到控制目的。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于考慮了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出飽和特性和死區(qū)特性的自然約束條件，改善了控制系統(tǒng)的控制精度；而濾波器的引入也增強(qiáng)了控制器對(duì)噪聲的抑制能力；并且對(duì)船舶模型存在未知非線性函數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)存在控制輸入約束時(shí)設(shè)計(jì)基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器的濾波反步控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制。由于本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器不僅能夠?qū)δＰ椭形粗姆蔷€性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)也補(bǔ)償了外界低頻干擾，提高了系統(tǒng)對(duì)干擾的魯棒性能；而濾波反步法中通過引入濾波器對(duì)虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近，取代了常規(guī)反步法中對(duì)虛擬控制量的求導(dǎo)過程，使得控制器的形式簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為考慮控制輸入約束的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2為死區(qū)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)；
[0020]圖3為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
[0021]圖4為位姿跟蹤誤差曲線；
[0022]圖5為控制器控制指令曲線。
【具體實(shí)施方式】
`[0023]下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述:
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的考慮了控制輸入約束時(shí)基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括導(dǎo)引系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)3、控制輸入補(bǔ)償系統(tǒng)2、傳感器系統(tǒng)、13、微分同胚變換器7、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8。傳感器系統(tǒng)13中的位姿傳感器12與速度傳感器11分別采集船舶實(shí)際位姿和速度信息，并一起打包傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8，經(jīng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10和濾波系統(tǒng)9處理后，得到應(yīng)用于控制系統(tǒng)3的船舶位姿和速度；處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)微分同胚變換器7變換得到新的狀態(tài)變量，以進(jìn)行反步法設(shè)計(jì)；將這些新變量傳遞給控制系統(tǒng)3的濾波反步控制器4和自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6，進(jìn)行控制指令計(jì)算；自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)5和微分同胚變換器7的數(shù)據(jù)，對(duì)控制器所需的未知非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，也包含了對(duì)低頻干擾和未建模動(dòng)態(tài)的估計(jì)；濾波反步控制器4同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)5的期望信息、微分同胚變換器7的新狀態(tài)變量，以及自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器6對(duì)未知非線性函數(shù)的估計(jì)，經(jīng)解算得到相應(yīng)的控制指令；控制系統(tǒng)3將控制指令傳輸給輸入約束補(bǔ)償系統(tǒng)2，經(jīng)輸入飽和補(bǔ)償器16和死區(qū)補(bǔ)償器15補(bǔ)償后，得到最終的控制指令，調(diào)整船舶的縱向推力、橫向推力及轉(zhuǎn)首力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的準(zhǔn)確控制。
[0025]I)導(dǎo)引系統(tǒng)5根據(jù)設(shè)定的期望值nd以及船舶初始位置，可以得到船舶各時(shí)刻的期望位置Xd，yd和期望艏向Vd及其導(dǎo)數(shù)杉，丸和^，使船舶能夠經(jīng)加速，勻速和減速到達(dá)指定位置。為了方便可以記
【權(quán)利要求】
1.一種考慮控制輸入約束的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括導(dǎo)引系統(tǒng)(5)、控制系統(tǒng)(3)、傳感器系統(tǒng)(13)、微分同胚變換器(7)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(8)，其特征是:還包括控制輸入補(bǔ)償系統(tǒng)(2)，所述傳感器系統(tǒng)(13)包含位姿傳感器(12)和速度傳感器(11);導(dǎo)引系統(tǒng)(5)根據(jù)輸入的期望值與船舶的初始位置，計(jì)算船舶在各個(gè)時(shí)刻的期望位姿及期望速度；位姿傳感器(12)與速度傳感器(11)分別采集船舶實(shí)際位姿信息和速度信息，并傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(8);數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(8)的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)(10)及濾波系統(tǒng)(9)處理后，得到船舶的低頻位姿信息和速度；船舶的低頻位姿信息和速度傳遞給微分同胚變換器(7)，經(jīng)變換后得到新的狀態(tài)變量；控制系統(tǒng)(3)的濾波反步控制器(4)和自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器(6)根據(jù)新的狀態(tài)變量進(jìn)行相應(yīng)解算；自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器(6)根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)(5)和微分同胚變換器(7)的數(shù)據(jù)，對(duì)控制器所需的未知非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)；濾波反步控制器同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)(5)的期望位置和速度、微分同胚變換器(7)的新的狀態(tài)變量，以及自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器(6)提供的對(duì)未知非線性函數(shù)的估計(jì)，經(jīng)解算得到相應(yīng)的控制指令信息；控制系統(tǒng)(3)將控制指令信息傳遞給輸入約束補(bǔ)償系統(tǒng)(2)，經(jīng)輸入飽和補(bǔ)償器(16)和死區(qū)補(bǔ)償器(15)的補(bǔ)償后，得到最終的控制指令，將控制指令發(fā)送給船舶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整船舶的縱向推力、橫向推力及轉(zhuǎn)首力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的準(zhǔn)確控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮控制輸入約束的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是所述控制系統(tǒng)(3)的濾波反步控制器(4)和自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器(6)根據(jù)新的狀態(tài)變量進(jìn)行相應(yīng)解算是指:控制系統(tǒng)(3)中自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器(6)根據(jù)微分同胚變換器(7)提供的新狀態(tài)變量以及導(dǎo)引系統(tǒng)(5)提供的期望信息，按自適應(yīng)律，通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)未知非線性函數(shù)、低頻干擾以及未建模動(dòng)態(tài)進(jìn)行綜合估計(jì)，得到控制器所需的非線性函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的考慮控制輸入約束的船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是所述經(jīng)輸入飽和補(bǔ)償器(16)和死區(qū)補(bǔ)償器(15)的補(bǔ)償后得到最終的控制指令是指:控制輸入補(bǔ)償系統(tǒng)(2)對(duì)控制系統(tǒng)(3)的控制指令進(jìn)行判斷和處理，如果超出了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出界限，則通過輸入飽和補(bǔ)償器(16)對(duì)控制指令進(jìn)行輸入飽和補(bǔ)償；如果控制指令處于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)中，則通過死區(qū)補(bǔ)償器(15)對(duì)控制指令進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK103760900SQ201410003233
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】夏國(guó)清, 邵興超, 劉菊 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)