基于分数阶滑模的船舶航向保持控制

发布时间：2021-06-16 04:48

　　针对欠驱动船舶航行过程中受到内外部不确定因素的干扰,导致船舶不能准确跟踪至期望航向问题,结合分数阶理论和传统滑模理论的优点和可行性,对传统滑模的滑模面和趋近律进行改进。利用分数阶微积分算子代替整数阶微积分算子,构造出分数阶滑模面和分数阶趋近律,进而设计出基于分数阶滑模的船舶航向保持控制器。通过选取合适的分数阶阶次使船舶航向控制系统更具灵活性。通过MATLAB仿真进行控制器效果验证。仿真结果表明,基于分数阶滑模的船舶航向保持控制器能够在无干扰、有干扰两种情况下实现对船舶航向的快速、准确跟踪,具有良好的控制效果。 

【文章来源】：上海海事大学学报. 2020,41(03)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

基于分数阶滑模的船舶航向保持控制器结构

仿真2:期望航向为60°,船舶初始条件不变,风浪干扰为定值0.001。由于海浪运动复杂且不规则,采用ITTC认可的白噪声驱动二阶振荡函数模拟海浪干扰,海浪模型的二阶传递函数H(s)=0.419 8s/(s2+0.363 8s+0.367 5)。在此仿真条件下,航向角和舵角的变化见图3。受风浪干扰时:系统可以在160 s时收敛至期望航向后又产生较小超调量,最终在310 s收敛至期望航向,并保持稳定;航向角变化曲线存在略微超调现象,且上下浮动,属正常现象;航向角变化幅度小,控制过程受外界干扰影响小,抗干扰性良好;舵角在 [-10.5°, 23°]范围内变化,满足舵角要求;航向稳定时,舵角曲线周期稳定在[-8°,-2°]范围内,用以抵消风流压差角,符合实际情况。图3 有风浪干扰时航向角和舵角变化(仿真2)

图2 无干扰时航向角和舵角变化(仿真1)仿真3:为验证控制器的普适性,本文还进行了变航向曲线信号跟踪实验。选取幅值为60°,频率为0.04 rad/s的正弦波,在无干扰情况下进行实验,仿真结果如图4所示。控制器可以实时跟踪至设定的正弦曲线跟踪信号,且精度较高,有较小超调量;舵角在[-20°,20°]范围内变化,变化平缓,变化范围合理。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于分数阶滑模观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制[J]. 何克胜,王英.  计算技术与自动化. 2018(03)
[2]分数阶微积分的高精度递推算法[J]. 白鹭,薛定宇.  东北大学学报(自然科学版). 2018(04)
[3]基于线性自抗扰控制的船舶航迹积分滑模控制器[J]. 邱峰,李伟,宁君.  上海海事大学学报. 2017(03)
[4]基于正切函数非线性反馈的“育鹏”轮自动舵控制算法（英文）[J]. 张显库,冯永孝.  Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2017(01)
[5]Guest Editorial for Special Issue on Fractional Order Systems and Controls[J]. YangQuan Chen,Dingyü Xue,Antonio Visioli.  IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 2016(04)

博士论文
[1]粒子群优化分数阶控制器及欠驱动船舶航向控制研究[D]. 李光宇.大连海事大学 2016
[2]分数阶滑模控制理论及其应用研究[D]. 邓立为.哈尔滨工业大学 2014
[3]欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究[D]. 李荣辉.大连海事大学 2013



本文编号：3232392