一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法

摘要

本发明公开了一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，包括：利用零阶保持器储存上一触发时刻船舶状态向量、控制律及自适应律。根据获取的船舶状态信息和零阶保持器中储存的船舶状态信息构建简洁事件触发机制。当满足事件触发机制时，系统输出零阶保持器中储存的船舶状态向量、控制律及自适应律。当不满足事件触发机制时，控制器触发，零阶保持器中储存的船舶状态向量、控制律及自适应律更新并输出。从而，通过基于事件触发的容错机制解决船舶路径跟踪控制中通信通道受阻和执行器故障问题。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶控制工程与船舶自主航行装备应用领域，尤其涉及一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法。

背景技术

路径跟踪控制是船舶运动控制领域的一个重要应用。虽然现有的研究已经取得了丰富的成果，但在理论设计和工程实践中仍存在一系列亟待解决的问题。例如由于船舶通信网络受阻和执行器过度磨损，导致船舶执行机构经常发生未知故障。由于传统的路径跟踪控制系统连续的输出控制信号，船舶配备的执行器不断频繁地响应造成执行器的机械磨损，而且不间断的信号传输会过度占用船上有限的通信资源。我们期望在保证路径跟踪控制效果的前提下，减少控制信号的传输和执行器的动作频率。

基于以上分析，传统路径跟踪算法归纳为以下两点缺陷：

一是需要不间断采集状态信息、传感器到执行器之间的信号不断传输。另外控制器输出的控制信号频繁传输到执行机构，容易造成船上通信通道阻塞和不必要的执行器的动作，增加了执行器的磨损，造成了有限的通信能源的浪费。

二是没有考虑船舶可能发生的执行器故障问题。随着船舶大型化、现代化发展，控制系统由于仪器数量庞大、复杂程度提高，执行器故障数量显著增加，船舶的安全性和可靠性面临着巨大挑战。另外，执行器故障可能会导致控制系统性能下降，甚至引发系统崩溃，对船舶安全航行存在巨大的影响。

发明内容

本发明提供一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，以克服上述技术问题。

本发明一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，包括：

建立船舶三自由度模型和故障模型，将所述船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型；

获取船舶当前航行状态信息；根据获取的所述船舶当前航行状态信息和船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息，构建事件触发机制；

当满足所述事件触发机制时，输出零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律；当不满足所述事件触发机制时，更新零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律并输出；

根据所述具有执行器故障的船舶模型和所述零阶保持器中储存的航行状态信息来设计船舶控制器；

通过所述零阶保持器输出的自适应律来获得所述船舶控制器的直接控制律和路径跟踪容错控制律；

将所述路径跟踪容错控制律输出至船舶执行器伺服系统，以控制船舶的运动姿态。

进一步地，所述建立船舶三自由度模型和故障模型，包括：

所述船舶三自由度模型表示为：

式中，x,y,ψ表示船舶在地理坐标系下的纵、横位置坐标和艏向角，u,v,r分别为船舶的前进速度、横漂速度和艏摇角速率；m

所述故障模型表示为：

将所述船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型，表示为：

式中，主机的路径跟踪容错控制律N

进一步地，执行器故障类型包括：

0＜k

k

0＜k

进一步地，所述获取船舶当前航行状态信息包括：在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差x

进一步地，所述构建事件触发机制包括：

定义事件触发误差，表示为：

根据所述事件触发误差将所述事件触发机制，表示为：

式中，

阈值参数为κ

根据式(5)得到考虑船舶控制工程实际需求的所述事件触发机制，表示为：

||e

式中，

进一步地，所述根据所述具有执行器故障的船舶模型和所述零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律来设计船舶控制器，包括：

设定参考轨迹η

定义运动学误差变量u

其中，Ψ

进一步地，通过式(9)设计虚拟控制律α

式中，

进一步地，将u

针对式(10)中的不确定项f

f

式中，i＝u,r,a

结合式(10)和式(11)，利用鲁棒神经阻尼技术处理不确定项f

式中，

进一步地，针对式(10)中含有执行器部分失效故障的项

令

设计自适应参数

令

通过式(13)设计自适应参数

式中，t

进一步地，所述通过所述零阶保持器输出的自适应律来获得所述船舶控制器的直接控制律和路径跟踪容错控制律，包括：

通过式(15)计算所述直接控制律α

式中，

本发明利用零阶保持器储存上一触发时刻船舶状态向量、控制律及自适应律。根据获取的船舶状态信息和零阶保持器中储存的船舶状态信息构建简洁事件触发机制。当满足事件触发机制时，系统输出零阶保持器中储存的船舶状态向量、控制律及自适应律。当不满足事件触发机制时，控制器触发，零阶保持器中储存的船舶状态向量、控制律及自适应律更新并输出。从而，通过基于事件触发的容错机制解决船舶路径跟踪控制中通信通道受阻和执行器故障问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的逻辑结构图；

图3为本发明的控制算法的执行流程图；

图4a为本发明的对比试验中5级海况下风场视图；

图4b为本发明的对比试验中5级海况下3D波面视图；

图5为本发明的对比试验中航海实践条件下船舶路径跟踪轨迹对比结果图；

图6为本发明的对比试验中路径跟踪误差变量x

图7为本发明的对比试验中控制命令和实际输入图；

图8为本发明的对比试验中触发时间间隔分析图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2、图3所示，本实施例提供了一种基于零阶保持器的船舶路径跟踪事件触发控制方法，包括：

101、建立船舶三自由度模型和故障模型，将船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型；

具体而言，船舶三自由度模型表示为：

式中，x,y,ψ表示船舶在地理坐标系下的纵、横位置坐标和艏向角，u,v,r分别为船舶的前进速度、横漂速度和艏摇角速率；m

故障模型表示为：

将船舶三自由度模型和故障模型相结合，得到具有执行器故障的船舶模型，表示为：

式中，主机的路径跟踪容错控制律N

执行器故障类型包括：

0＜k

k

0＜k

102、获取船舶当前航行状态信息；根据获取的船舶当前航行状态信息和船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息，构建事件触发机制；

具体而言，获取船舶当前航行状态信息包括：在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差x

船舶的零阶保持器中存储的航行状态信息包括：上一触发时刻在地理坐标系下的横、纵位置坐标误差

构建事件触发机制包括：

定义事件触发误差，表示为：

根据所述事件触发误差将所述事件触发机制，表示为：

式中，

阈值参数为κ

根据式(5)得到考虑船舶控制工程实际需求的所述事件触发机制，表示为：

||e

式中，

103、当满足事件触发机制时，输出零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律；当不满足所述事件触发机制时，更新零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律并输出；

具体而言，如图3所示，事件触发机制决定了什么时刻更新采样数据及传输控制信号，其控制信号仅在设定的事件发生一次后才会被计算更新一次。本发明中，当控制器不能满足船舶系统稳定性和控制性能指标时，才会进行船舶状态信息的更新及控制信号的更新与传输。当满足事件触发机制时，系统输出上一触发时刻在零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律，直到下一个触发时刻；当不满足事件触发机制时，利用当前最新的航行状态信息，控制器触发并计算出新的控制律和自适应律，同时更新并输出零阶保持器中储存的航行状态信息、控制律及自适应律。下一个采样点对是否满足事件触发机制再次进行判断，以此进行循环。零阶保持器中储存的航行状态信息更新并输出，如下：

104、根据具有执行器故障的船舶模型和零阶保持器中储存的航行状态信息来设计船舶控制器；

具体而言，设定参考轨迹η

定义运动学误差变量u

其中，Ψ

通过式(9)设计虚拟控制律α

式中，

将u

针对式(10)中的不确定项f

f

式中，i＝u,r,a

结合式(10)和式(11)，利用鲁棒神经阻尼技术处理不确定项f

式中，

针对式(10)中含有执行器部分失效故障的项

令

设计自适应参数

令

通过式(13)设计自适应参数

式中，t

105、通过零阶保持器输出的自适应律来获得船舶控制器的直接控制律和路径跟踪容错控制律；

具体而言，通过式(15)计算直接控制律α

式中，

106、将路径跟踪容错控制律输出至船舶执行器伺服系统，以控制船舶的运动姿态。

本发明提出的算法与现有技术的控制算法的对比试验如下：

试验中使用38m的欠驱动船作为被控对象。船舶参数为：

m

设定的参考路径的由四个航路点组成；

分别为W

[x(0),y(0),ψ(0),u(0),v(0),r(0)]＝[90m,10m,20deg,8m/s,0m/s,0rad/s]。

为了使仿真更加符合实际工程要求，本试验采用基于机理模型来描述海洋环境扰动，综合考虑了风、海浪和海流等因素。仿真试验中环境干扰为：风速(蒲福风5级)V

图5给出了在上述试验条件下，利用本发明的控制算法和现有技术控制算法实现的路径跟踪轨迹对比结果。图6给出了对应的路径跟踪误差变量。从对比结果可以发现本发明的控制算法在海洋环境干扰和存在执行器故障的情况下，跟踪误差可以收敛到一个小的邻域，确保了路径跟踪良好的控制效果。相对于现有技术的控制算法具有更高的路径跟踪精度。

图7给出了该发明提出算法的控制命令和控制输入。可以看出，当执行器故障发生在第150s后，舵机伺服系统的控制输入明显的突变，该发明提出的算法能够对执行器故障提供有效的补偿。本发明中事件触发控制命令在控制器未触发时每个区间都是非周期稳定的，控制器的计算量和通信信道占用明显减少，很大程度上降低了信道阻塞的风险。此外，由于执行器动作显著地减少，该发明算法有效地减少了推进系统和舵机伺服系统的机械磨损，提高执行器设备的寿命和可靠性，在一定程度上提高了船舶航行安全性。图8分析了本专利算法中两个相邻触发时间间隔。由此可见，执行器发生故障后，控制器频繁触发以补偿执行器故障保证系统的稳定性。图中可以看出最大的触发时间间隔的为4.6s，最小触发时间间隔的为0.05s，这表明该发明提出的算法不仅有效的降低了执行器的动作频率，还可以避免系统无限次触发的情况。综合以上分析，试验结果在多个方面验证了本发明所提出的事件触发容错算法的有效性。

结合上述试验，并与现有技术进行对比，本发明能够带来以下两点有益效果：

1、本发明提出了基于零阶保持器的事件触发控制算法，实现了基于航路点的船舶路径跟踪任务。与现有的基于连续状态反馈的事件触发方法不同，本发明的算法在系统未触发的阶段不需要持续获取状态信息，系统输出零阶保持器中储存船舶状态信息、控制律以及自适应律。只有在事件触发时，零阶保持器中储存的信息才会被更新，控制器才会计算新的控制律和自适应律。该发明的算法不仅可以有效地减少传感器到控制器以及控制器到执行器之间信道的占用，而且显著减少了控制器的计算量。由于鲁棒神经阻尼技术的优势，本发明在不需要在线更新神经网络权值的条件下，可以实现使用控制律来补偿相关的扰动。本发明算法在减少计算量和额外信道占用方面的优势，对提高算法在船舶实际应用中的适用性具有重要意义。

2、在实际船舶工程中，随着船舶大型化、现代化发展，控制系统由于仪器数量庞大、复杂程度提高，船舶主机和舵机伺服系统故障时有发生。未知的执行器故障不仅使系统的操纵性能下降，而且增加了船舶的航行风险。因此，本发明的算法提出了一种自适应容错算法，补偿船舶航行中可能出现的执行器故障。仅通过在线更新4个自适应参数，同时补偿增益相关的执行器部分失效故障和执行器偏置故障，从而降低了算法的计算复杂度，提高了算法在海洋工程中的适用性。与现有方案不同的是，该发明提出的自适应容错方案同时考虑了事件触发机制，自适应参数仅在系统触发时才会更新。此外，利用双曲正切函数的优势可以稳定补偿误差。本发明所提出的容错方案可以提高船舶应对突发事件的能力，降低船舶在动力装置稳定运行方面存在的潜在风险。本发明算法对于智能船舶在设备系统故障及突发事件的应急处置方面具有重要意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。