一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法

技术领域

本申请涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法。

背景技术

考虑船舶航行环境复杂、船体大惯性且参数动态变化等问题，传统的PID控制器(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制器)虽应用广泛、性价比高却缺乏鲁棒性和自适应，难以保证复杂条件下的船体安全稳定控制。

除了传统PID控制器，目前还衍生出众多改进的PID控制器并应用于船舶控制领域。然而，大多数PID控制器的参数严重依赖于设计者的经验，通常需要根据目标进行P\I\D(Proportion\Integration\Differentiation，比例\积分\微分)三个参数的整定，而且整定过程一般是非解析的，即依赖于实验调整，无法给出确定的表达式。这种弊端影响了船舶控制器设计的效率，增大了实验成本。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法，用于保证船舶航行下船舶控制器控制性能的鲁棒性和稳定性。

本申请实施例提供了一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法，包括：

确定船舶航行的动力学模型；

根据所述动力学模型预设船舶控制器模型的实际位置输入变量及位置输出变量期望值；

根据所述实际位置输入变量及所述位置输出变量期望值及所述预设船舶控制器模型的比例、积分及微分参数的设计解析式，确定所述预设船舶控制器模型的比例、积分及微分参数；

根据所述预设船舶控制器模型的比例、积分及微分参数及所述预设船舶控制器模型，确定所设计的船舶控制器。

在一些可选的实施方式中，所述确定船舶航行的动力学模型，包括：

获取船舶系统参数和环境变量；

建立所述船舶航行的动力学模型

其中，x(t)是船体在t时刻的速度状态变量，y(t)是船体在t时刻的位置输出变量，M为船体质量，u(t)是所设计的船舶控制器，[s

在一些可选的实施方式中，所述预设船舶控制器模型u(t)为

其中，e(t)＝y(t)-y*(t)，即实际位置输出变量y(t)与位置输出变量期望值y*(t)间的差值；k

在一些可选的实施方式中，所述预设船舶控制器模型的比例、积分及微分参数的设计解析式为：

其中，v(t)为中间变量，

本申请实施例提供一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法，通过设计船舶控制器以实现船舶航行控制。该控制器给出了比例\积分\微分三个参数的确切的解析表达式，可通过Lyapunov证明其收敛性和稳定性，且比例\积分\微分三个参数相互解耦，其设计互不干扰，极大地方便了复杂动力学环境下船舶的控制器设计，具有工程应用潜力。

附图说明

附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。

图1为本申请实施例一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

图1为本申请实施例一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法的流程示意图。如本申请实施例提供一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法，图1所示，该方法可包括以下步骤：

步骤101，确定船舶航行的动力学模型。

步骤102，根据动力学模型预设船舶控制器模型的实际位置输入变量及位置输出变量期望值；

步骤103，根据实际位置输入变量及位置输出变量期望值及预设船舶控制器模型的比例、积分及微分参数的设计解析式，确定预设船舶控制器模型的比例、积分及微分参数；

步骤104，根据预设船舶控制器模型的比例、积分及微分参数及预设船舶控制器模型，确定所设计的船舶控制器。

在一些可选的实施方式中，确定船舶航行的动力学模型，包括：

获取船舶系统参数和环境变量；

建立船舶航行的动力学模型

其中，x(t)是船体在t时刻的速度状态变量，y(t)是船体在t时刻的位置输出变量，M为船体质量，u(t)是所设计的船舶控制器，[s

在一些可选的实施方式中，预设船舶控制器模型u(t)为

其中，e(t)＝y(t)-y*(t)，即实际位置输出变量y(t)与位置输出变量期望值y*(t)间的差值；k

在一些可选的实施方式中，预设船舶控制器模型的比例、积分及微分参数的设计解析式为：

其中，v(t)为中间变量，

本申请实施例提供一种基于解析设计式的船舶控制器设计方法，通过设计船舶控制器以实现船舶航行控制。该控制器给出了比例\积分\微分三个参数的确切的解析表达式，可通过Lyapunov证明其收敛性和稳定性，且比例\积分\微分三个参数相互解耦，其设计互不干扰，极大地方便了复杂动力学环境下船舶的控制器设计，具有工程应用潜力。

本申请实施例提供一种基于解析设计的船舶控制器，包括以下设计步骤：

一种基于解析设计的船舶控制器，包括以下设计步骤：

首先，给定船舶系统和环境变量，则可确定船舶质量、阻力环境等。

然后，建立船舶的动力学模型：

上式中，x(t)是船体在t时刻的速度状态变量；y(t)是船体在t时刻的位置输出变量；M为船体质量；u(t)是所设计的船舶控制器；[s

进而，设计船舶控制器u(t)如下：

上式中，e(t)＝y(t)-y*(t)，即实际位置输出变量y(t)与位置输出变量期望值y*(t)间的差值；k

最后，基于解释设计给出控制器的比例、积分、微分参数，步骤如下：

所述船舶控制器(2)的三个关键参数设计解析式如下：

上式(3)中，v(t)是满足下式的中间变量：

式(4)中α、β、γ为设计者根据经验设置的正常数，通常对船体的选择范围为[0.01-1.5]；

从而，根据式(1)-(5)的描述可知：若给定船舶的位置输出变量期望值y*(t)，且可测得当前船舶的实际位置输出变量y(t)，则可根据(2)-(5)设计出解析的控制器u(t)，来实现对(1)所描述的船舶的鲁棒控制。该控制器的稳定性可以利用公知的Lyapunov分析法来证明，这里不作具体说明。

本申请采用基于解析设计的PID控制器实现船舶航行控制。该控制器给出了比例\积分\微分三个参数的确切的解析表达式，可通过Lyapunov证明其收敛性和稳定性，且比例\积分\微分三个参数相互解耦，其设计互不干扰，极大地方便了复杂动力学环境下船舶的控制器设计，具有工程应用潜力。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成。