基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法及系统

1.本发明涉及预定性能跟踪控制技术领域，尤其涉及一种基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.船舶控制在控制理论和控制工程中一直占有重要地位。海洋水面船舶可分为全驱动型和欠驱动型，相比于欠驱动船舶，全驱动船舶拥有简单直观的形式。2005年挪威科技大学海洋控制实验室成功建造了一艘名为cybership ii的全驱动船舶，该船舶的尺寸按照某补给舰以1:70的比例进行设计，实验结果表明，该船结构简单，操纵灵活。自此之后，全驱动海洋船舶一直受到关注。
4.全驱动船舶为了满足一定的性能和安全要求，系统状态往往需要限制在某一范围内。例如围绕海上平台工作的船舶，为了避免与平台发生碰撞事故，其速度与位置要受到严格约束。而在实际的船舶控制中，有时需要在有限的时间内完成期望的任务，例如船舶对接和拦截等。终端滑模控制(tsmc)因其对干扰的鲁棒性而首次用于实现机械臂的有限时间控制。随后，针对各种有限时间控制目标，分别提出了基于扰动观测器的tsmc、高阶tsmc和添加功率积分器的tsmc。
5.虽然基于时间驱动的控制很容易实现，但它是一种保守的方法，可能会导致通信通道的过载。采用事件驱动控制则不会出现上述问题。然而在现有对于事件驱动控制的方法中，发明人发现：
6.船舶在海上航行时总是不可避免地受到集总扰动的影响，且位置和速度受到约束。另外，船舶推进系统中，发动机转速只能在一定范围内变化，从而导致推进器供力有限，出现输入饱和现象。而现有的事件驱动控制并没有考虑上述集总扰动和输入饱和条件。并且就全驱动船舶而言，在状态约束的情况下，缺少对于固定时间的控制研究。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法及系统，针对一类全驱动水面船舶，在全状态约束、集总干扰和输入饱和条件下，基于事件驱动实现了对固定时间预设性能的控制。
8.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
9.本发明第一方面提供了一种基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，包括以下步骤：
10.采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型；
11.构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；
12.根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；
13.设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束的条件下完成期望跟踪。
14.本发明第二方面提供了一种基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制系统，包括：
15.模型构建模块，被配置为采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型；
16.模型优化模块，被配置为构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；
17.控制器设计模块，被配置为根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；
18.预定性能跟踪控制模块，被配置为设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束的条件下完成期望跟踪。
19.本发明第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法中的步骤。
20.本发明第四方面提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法中的步骤。
21.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
22.本发明针对一类全驱动水面船舶，在全状态约束、集总干扰和输入饱和条件下，基于事件驱动实现了对固定时间预设性能的控制。在控制设计中，通过引入辅助信号来补偿输入饱和对系统的影响，并利用障碍李雅普诺夫函数(blf)来保证状态约束。为了实现给定的跟踪性能，引入了基于速度函数的误差变换，从而使得所提算法可以在不违反全状态约束的情况下确保预期的瞬态和稳态跟踪性能，所提出方法的显着特点是收敛速度，跟踪精度，和稳定时间均可提前预设，并且控制器的通信成本低。
23.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为本发明实施例一中地球坐标系和船体坐标系下的全驱动船舶的示意图；
26.图2为本发明实施例一仿真验证实验中闭环系统状态满足约束的示意图；
27.图3为本发明实施例一仿真验证实验中跟踪误差达到预定精度的示意图；
28.图4为本发明实施例一仿真验证实验中展示了自适应参数有界性的示意图；
29.图5为本发明实施例一仿真验证实验中前进力执行器输出以及信号传输时间的示意图；
30.图6为本发明实施例一仿真验证实验中横漂力执行器输出以及信号传输时间的示
意图；
31.图7为本发明实施例一仿真验证实验中艄摇力执行器输出以及信号传输时间的示意图。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.本实施例基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法中所用到的相关假设，定义，和引理如下：
34.假设1：对于向量d(x1,x2,t)，存在一个未知正常数θ和一个已知的正的光滑函数ψ(x1,x2,t)，使得||d(x1,x2,t)||2≤θψ(x1,x2,t)。
35.假设2：xd(t)及其关于时间的导数是连续的，同时存在正的连续函数和正的常数满足
36.假设3：存在常数ka，kb使得ka(t)＜ka且kb(t)＜kb。此外，还存在正常数和使得ka(t)和kb(t)的导数满足且
37.定义1：称非线性系统的平衡点η＝0是约束下固定时间实际稳定(cpfts)的，如果对于所有的η(t0)＝η0∈ω，都存在标量ε＞0，使得当t≥t0+t1时，有‖η(t)‖＜ε，并且在整个控制过程中始终满足η(t)∈ω。ω为提前给定的约束集，t1是独立于系统初始值的停息时间t(η(0))的上限。
38.注1：在带有状态约束的控制问题中，约束函数ka(t)和kb(t)是预先给定的。控制器的设计目标之一是保持系统的所有状态在整个控制过程中都不违反给定约束，即不等式||x1(t)||＜ka(t)，||x2(t)||＜kb(t)对任意时间均成立。因此，定义1具有稳定属性，而非吸引属性。
39.引理1：如果存在一个正定的函数满足：1)2)其中α1＞0，α2＞0，0＜p1＜1，p2＞1，均为常数。则系统是cpfts的，即当t≥t1有成立，其中并且0＜c＜1为一常数。当时，当时，
40.引理2：定义开集和其中k
ci
是正常数，l是正整数。考虑系统定义函数其中f在上对η是局部利普希茨的。假设存在正定且连续可微的函数以及并在各自定义域上满足:
41.wi(wi)
→
∞，|wi|
→kci
，
42.α1(||ξ||)≤w(t,ξ)≤α2(||ξ||)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
43.其中α1和α2是函数。基于此，进一步定义v(η)＝w(t,ξ)+wi(wi)，同时限定wi(0)∈πi。进而，如果v在集合满足
[0044][0045]
其中0＜p1＜1，p2＞1。则：1)系统是cpfts的，2)wi∈πi，
[0046]
引理3：假设d和e是正常数，则对与任意的实数x，y和函数γ(x,y)＞0，成立|x|d|y|e≤(dγ|x|
d+e
+eγ-d/e
|y|
d+e
)/(d+e)。
[0047]
引理4：对于向量如果满足||x||＜||b||，则会有以下不等式成立：0＜ln(b
t
b/(b
t
b-x
t
x))≤x
t
x/(b
t
b-x
t
x)，其中l＞0。
[0048]
引理5：对于正实数k＝1,
…
,n，和任意常数l，如果l＞1,则有如果0＜l＜1，则有
[0049]
引理6：对任意的成立0≤|u|-utanh(u/
*
)≤k
**
其中k
*
＝0.2785且∈
*
＞0是一个实数。
[0050]
引理7：定义函数其表达式为：y(x)＝sign(x)|x|
2k-1
tanh(|x|
2k
/∈
*
)，其中∈
*
＞0，3/4＜k＜1。设其一阶导数为ψ(x)，二阶导数为g(x)。则y(x)，ψ(x)，和g(x)在上均连续。
[0051]
引理8：定义向量：则以下不等式成立：-χ
t
ξ≤-(χ
t
χ)k+n∈
*k*
，其中
[0052]
证明：利用引理5和引理6直接可得
[0053][0054]
引理8的证明完成。
[0055]
实施例一：
[0056]
本发明实施例一提供了一种基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0057]
步骤1：采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型。
[0058]
步骤2：构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；
[0059]
步骤3：根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；
[0060]
步骤4：设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束
的条件下完成期望跟踪。
[0061]
步骤1中，基于地球坐标系对全驱动船舶的闭环系统建立船舶模型，地球坐标系和船体坐标系的关系如图1所示。具体步骤为：
[0062]
全驱动水面船舶根据如下公式对闭环系统进行建模:
[0063][0064][0065]
其中位形向量中，(x,y)表示船舶在地球坐标系中的位置，表示航向角。速度向量中各元素分别表示前进速度，横向速度，和偏航速度。向量用以表示集总干扰，可能的建模偏差，和被忽略的动力学。f(τ)＝[f1(τ1),f2(τ2),f3(τ3)]
t
是带有饱和特性的执行器输出，τ＝[τ1,τ2,τ3]
t
是有待设计的原始控制信号。j(η)是旋转矩阵，d(v)是阻尼矩阵，是对称且正定的惯性矩阵，是向心力和科里奥利力矩阵，是由重力，洋流，和浮力引起的恢复力。j(η)，m，c(v)，d(v)的详细表达式为：
[0066][0067]
m中各个元素分别为：c(v)中各元素分别为：d(v)中各元素分别为：d
11
(v)＝-x
u-x
|u|u
|u|-x
uuu
u2，d
22
(v)＝-y
ν-y
|ν|ν
|ν|-y
|r|ν
|r|，d
23
(v)＝-y
r-y
|ν|r
|ν|-y
|r|r
|r|，d
32
(v)＝-n
ν-n
|ν|ν
|ν|-n
r|ν
|r|，d
33
＝-n
r-n
|ν|r
|ν|-n
|r|r
|r|。系数x
(
·
)
，y
(
·
)
，n
(
·
)
是水动力系数。m是船舶的质量，iz是关于偏航旋转的转动惯量，xg表示ob到船舶重心的距离。fi(τi)可以描述为：
[0068][0069]
其中f
imax
＞0和f
imin
＜0是已知的饱和参数。容易知道，j(η)具有如下性质：j
t
＝j-1
且||j(η)||＝1。
[0070]
通过选择x1＝η和x2＝v，可以得到(3)的等价形式，即得到闭环系统的船舶模型：
[0071][0072]
[0073]
其中h(x1,x2)＝m-1
(-c(x2)x
2-d(x2)x
2-g(x1))。
[0074]
本实施例目的是基于事件驱动的自适应控制策略以实现:1)闭环系统(4)的所有信号都是有界的。2)期望轨迹xd＝[x
d1
,x
d2
,x
d3
]
t
可被系统位形轨迹x1＝[x
11
,x
12
,x
13
]
t
在预先指定的时间t之前完成跟踪，同时跟踪误差满足:lim
t
→
t
|x
1i-x
di
|＜ε并且|x
1i-x
di
|
t≥t
＜ε(i＝1,2,3)，其中ε是一个预设的任意小常数。3)系统状态不违反期望约束：||x1(t)||＜ka(t)，||x2(t)||＜kb(t)，式中ka(t)和kb(t)为严格正的连续函数。
[0075]
步骤2中，为了补偿输入饱和对闭环系统的不良影响，本实施例构造以下辅助系统来产生补偿信号和
[0076][0077][0078]
其中
[0079][0080][0081]
式中δτ＝m-1
f(τ)-m-1
τ，λ1＝βξ1，λ2＝βξ2，ξ1＝[y
11
,y
12
,y
13
]
t
，3/4＜r1＜1，r2≥2，ξ2＝[y
21
,y
22
,y
23
]
t
，ω1＞0。
[0082]
在辅助系统(5)中，δτ是输入，ξ1和ξ2是输出。在进行控制设计前，需要先证明补偿信号ξ1和ξ2的有界性。
[0083]
选取lyapunov函数为：
[0084][0085]
经计算可确定其导数为：
[0086][0087]
联合引理4并应用young's不等式，得到
[0088][0089][0090]
[0091][0092]
从而有
[0093][0094][0095]
因此可以得到，在δτ有界的前提下，辅助系统(5)是固定时间实用稳定的，同时ξ1和ξ2能够在固定时间t
1*
内进入一个任意小的有界集合。
[0096]
其原理为：利用引理5，可将(6)写为其中q2＝min{2q
21
，2q
22
}，并且1＝ω1max
t≥0
{‖δτ(t)‖2}+3k
*
(q
11*1
+q
12*2
)。
[0097]
设定t≥t
1*
，可以得到这意味着
[0098][0099][0100]
利用引理2可知，闭环系统(4)是固定时间实用稳定的，且停息时间的上界t
1*
可以表示为或者或者式中且0＜c＜1。
[0101]
综合以上分析，对于任意小的常数ε＞0，通过设定便会有||ξi||≤ε/2对t≥t成立。
[0102]
步骤3中，自适应固定时间跟踪控制器的具体设计过程为：
[0103]
基于跟踪控制性能引入速度函数和速率函数；
[0104]
结合补偿信号，得到基于速度函数的误差变换；
[0105]
根据约束状态构造blf；
[0106]
设计基于事件触发的固定时间自适应跟踪控制算法；
[0107]
根据跟踪控制算法进行分析，设计跟踪控制器。
[0108]
更为具体的，引入速度函数β(t)来保证系统跟踪性能，其跟踪性能根据实际需求进行设计，具体公式为：
[0109][0110]
其中，ρ(t)为速率函数，0＜bf＜1是一个设计参数，0＜t＜∞是预分配时间。
[0111]
结合补偿信号，得到基于速度函数的误差变换：
[0112]
z1＝x
1-x
d-ξ1，z2＝x
2-α
1-ξ2，
[0113]
e1＝βz1，e2＝βz2，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0114]
其中α1是虚拟控制信号。
[0115]
根据约束状态构造blf分为以下两步：
[0116]
第1步：通过构造blf来保证约束状态。具体构造如下形式的blfv1：
[0117][0118]
其中为了简化形式，定义计算blfv1的导数得：
[0119][0120]
利用young's不等式得到：
[0121][0122][0123]
式中l1＞0是一个设计参数。
[0124]
记并构造ξ3＝[y
31
,y
32
,y
33
]
t
其中且3/4＜k＜1。
[0125]
虚拟控制器设计为：
[0126][0127]
其中
[0128][0129][0130]
同时3/4＜k＜1，μ
11
＞0，并且μ
12
＞0。
[0131]
基于β≥1，再联合式(11)，(12)，和(13)得到：
[0132]
[0133]
注2根据引理8可知虚拟控制器中引入的ξ1，ξ2和ξ3都是良好定义的,并且y
1i
，y
2i
和y
3i
(i＝1,2,3)也均为连续可微的，进而可知α1是连续可微的。
[0134]
第2步：考虑第二个候选blf：
[0135][0136]
其中k2(t)＞0，且同时表示对θ的估计。
[0137]
定义并对v2求导可得：
[0138][0139]
记l1＝(σ-k2(t))e2，可将(15)改写为：
[0140][0141]
注意到β2≥1，于是可以利用young's不等式得到以下结果：
[0142][0143][0144]
其中l2是一个正的设计参数。
[0145]
借助引理6可以得到：
[0146][0147]
其中
[0148]
将式(17)和(18)带入到(16)得到：
[0149][0150]
紧接着，构造虚拟控制信号α2如下：
[0151][0152]
其中ξ4＝[y
41
,y
42
,y
43
]
t
，，是向量的第i个元素，并且∈
*5
＞0，i＝1，2，3。
[0153]
通过使用引理8，可将(19)改写为：
[0154][0155]
因此，自适应固定时间跟踪控制器可设计为：
[0156][0157]
其中τi(t)是控制信号τ的第i个分量，α
2i
是α2的第i个元素，表示控制信号τi(t)的更新时间。
[0158]
事件驱动策略取为：
[0159][0160][0161][0162]
其中，表示控制信号τi(t)的更新时间，(t)的更新时间，表示第i个执行器的采样误差，是相应的信号传递时间，mi表示矩阵m的第i行，同时m1＞0为设计参数，且i＝1,2,3。
[0163]
需要特别说明的是，上述事件驱动策略中，控制信号的更新与传输是分离的。由于控制信号受到饱和的影响，当更新前后的控制信号均处于饱和阶段时，执行器的输出fi(τi)是保持不变的，此时并无必要进行信号传输。简而言之，在事件触发机制(22)-(24)中，如果
触发条件(23)被激活，则将控制信号τi(t)更新为在此基础上，如果又满足则进一步将控制信号τi发送到第i个执行器。因此，信号传输时间是触发时间的子序列，这也使得所提出的事件驱动策略可以进一步减轻通信负担。另一方面，控制信号τi(t)在触发时间的更新，保证了对于所有t成立。
[0164]
如果假设1-3成立，且闭环系统(4)的初值满足||x1(0)||＜ka(0)，||x2(0)||＜kb(0)，则应用基于事件的控制策略(21)-(24)可实现控制目标：1)闭环系统(4)的所有信号都是有界的。2)期望轨迹xd＝[x
d1
,x
d2
,x
d3
]
t
可被x1＝[x
11
,x
12
,x
13
]
t
在预先指定的时间t之前完成跟踪，同时跟踪误差满足:lim
t
→
t
|x
1i-x
di
|＜ε并且|x
1i-x
di
|
t≥t
＜ε(i＝1,2,3)，其中ε是一个预设的任意小常数。3)系统状态不违反期望约束：||x1(t)||＜ka(t)，||x2(t)||＜kb(t)，式中ka(t)和kb(t)为严格正的连续函数。
[0165]
其推导过程为：从式(22)和(24)可以导出：
[0166][0167]
其中|θ1(t)|≤1，|θ2(t)|≤1是两个时变参数。因此有τ(t)＝τs(t)/(1+θ1δ1)+n成立，式中n＝[(-m1θ2(t))/(1+θ1(t)δ1),(-m1θ2(t))/(1+θ1(t)δ1),(-m1θ2(t))/(1+θ
*
(t)δ1)]
t
。
[0168]
由于保证了从而有进一步可知：
[0169][0170]
在(25)的基础上，可以推得
[0171][0172]
将(26)带入(20)得到
[0173][0174]
对于(27)中的耦合项，本实施例有
[0175]
令x＝1，d＝1-k，e＝k，γ＝k
k/(1-k)
，则可基于引理3得到
[0176][0177]
也即
[0178][0179]
同样的，会有
[0180][0181]
联立不等式(27)-(29)可得：
[0182][0183]
通过引理4和引理5可将式(30)进一步写为：
[0184][0185]
其中σ1＝min{2kμ
11
,2kμ
21
,μ
31
}，σ2＝min{(4/3)μ
12
,(4/3)μ
22
,(1/3)μ
32
}，}，因为v2≥0，则有
[0186][0187]
定义则可知对任意的t≥0有于是且
[0188]
进一步，只要初始误差满足||e1(0)||＜k1(0)，||e2(0)||＜k2(0)，便有(0)，便有又由于β(t)有界，则有且回顾(9)可知且进而可以得到且依据并结合以上分析有且由此反映出且进而可总结出：闭环系统(4)的全部信号都有界。控制目标1)的证明完成。
[0189]
借助引理1和引理2对(31)进行分析，可知闭环系统(4)是cpfts的。定义经过一些简单计算后，不难得到当t≥t
2*
时，有
[0190][0191]
其中并且k
*
＝max
t≥0
{k1(t),k2(t)}。当时，当时，j＝1,2。
[0192]
对速度函数的参数进行如下设置：
[0193]
t≥max{t
1*
,t
2*
}，
[0194][0195]
则(32)可被重写为：
[0196][0197][0198]
这意味着广义误差zj(t)在能够在预设的时间t之前衰减到任意小，且不会在t之后发生逃逸。
[0199]
对于跟踪误差z
1i*
＝x
1i-x
di
，可在以上分析的基础上得到：|z
1i*
|≤||x
1-xd||≤||z1||+||ξ1||。联系式(9)和(34)，可以得到
[0200]
|z
1i*
|≤(1-bf)ρ-1
(t)θ1+ε，max{t
1*
,t
2*
}≤t＜t，
[0201]
|z
1i*
|≤ε，t≥t，
[0202]
其中因此，有
[0203][0204]
上述结果表明，跟踪误差可以在t之内衰减到任意小，从而完成期望的跟踪，并且其衰减速度不慢于((t-t)/t)4e-t
。关于控制目标2)的证明完成。
[0205]
从上述分析可知，对任意的t≥0，只要系统的初始条件满足约束，即有成立，结合v2的结构，进一步可以知道的结构，进一步可以知道且又因系统的所有信号均有界，则必存在正的常数使得因此只要选择便会有类似地，选择便会有这意味着全部状态在整个控制过程中都服从约束，从而实现了控制目标3)。
[0206]
最后,需要说明整个控制中不会发生芝诺现象。τ
si
(i＝1,2,3)的导数可以表示为
[0207][0208]
其中
[0209][0210]
从引理7中，可以知道α
1i
，和(i＝1，2，3)都是连续函数。基于此，可以直接导出α
2i
，和的连续性，进一步可知，也是连续的。对于采样误差以下不等式成立：
[0211][0212]
由于在区间上的连续性和全部信号的有界性，不难推得的有界性。故而存在正的常数ιi使得对任意成立。对(36)求到的积分可得
[0213][0214]
由于且则始终成立。从而有即芝诺现象在控制过程中被规避。
[0215]
注4：式(33)给出了保守情形下t和bf的选取原则，事实上，由于闭环系统的固定时间稳定属性，系统在预分配时间t之前即有可能达成给定精度的跟踪，这体现出本实施例中控制算法的固定时间调节属性。
[0216]
注5：尽管引理2在本实施例中以p2＝2的形式应用，实际上，p2可以取大于1的任意整数。这一点可以通过与本实施例相似的控制设计实现。例如，将a2中的替换为同时将自适应律中的替换为那么(31)将被改写为即p2＝3实现。
[0217]
根据步骤4进行仿真验证，具体验证过程如下：
[0218]
利用现有全驱动船舶cybership ii来验证算法的有效性。cybership ii的主要物理参数见表1，其他参数，分别为y
|r|ν
＝-0.805，y
|ν|r
＝-0.845，y
|r|r
＝3.45，n
|r|ν
＝-0.13，nr＝1.9，n
|ν|r
＝0.08，n
|r|r
＝-0.75。将恢复力矢量设置为：g(x1)＝[0.36sin(x
13
)+0.2cos(x
13
),0.36cos(x
13
)+0.2sin(x
13
),0.18]。控制目标为：参考轨迹xd＝[0.5sin(t),0.5cos(t),0.5sin(t)]
t
在扰动xd＝[0.5sin(t),0.5cos(t),0.5sin(t)]
t
下能够被船舶系统的位置输出x1在预先指定的时间t＝4s内完成跟踪，其跟踪精度设定为ε＝0.001。系统状态x1和x2被要求分别满足约束ka(t)＝0.15sin(t)+0.9以及kb(t)＝0.15sin(t)+1。
[0219]
表1 cybership ii的主要物理参数
[0220][0221]
相应控制参数取为：l1＝l2＝0.002，q
11
＝q
12
＝q
21
＝q
22
＝10000，r1＝k＝0.8，r2＝3，ω1＝0.001，μ
11
＝μ
12
＝2，μ
21
＝μ
22
＝μ
31
＝μ
32
＝15，δ＝0.5，m1＝0.3，
*1
＝
*2
＝
*3
＝0.0001，
*4
＝
*5
＝
*6
＝0.01。饱和特性函数fi的参数设定为f
max
＝[50,17,4]
t
n，f
min
＝[-13,-50,-0.5]
t
n。系统初值设置为x1(0)＝[0.08,0.45,0.1]
t
m，x2(0)＝[0,0,0]
t
m/s，ξ1(0)＝ξ2(0)＝[0,0,0]
t
，另外，取k1(t)＝0.15sin(t)+0.3，k2(t)＝0.15sin(t)+0.4。仿真结果见图2-图7。
[0222]
从图2和图3可知，闭环系统不仅完成了期望的跟踪，而且其状态始终服从约束。图4展示了自适应参数的有界性。饱和影响下的前进力执行器，横漂力执行器，以及艄摇力执行器的输出信号及其相应的更新时间见图5-图7。具体而言，三个执行器在20s内传递信号的次数分别为588，669，以及707。显然，仿真结果证明本实施例中的技术方案可以在不违反全状态约束的情况下确保预期的瞬态和稳态跟踪性能，本发明所提出方法具有收敛速度、跟踪精度和稳定时间均可提前预设的特点，并且控制器的通信成本低。
[0223]
实施例二：
[0224]
本发明实施例二提供了一种基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制系统，包括：
[0225]
模型构建模块，被配置为采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型；
[0226]
模型优化模块，被配置为构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；
[0227]
控制器设计模块，被配置为根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；
[0228]
预定性能跟踪控制模块，被配置为设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束的条件下完成期望跟踪。
[0229]
实施例三：
[0230]
本发明实施例三提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例一所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法中的步骤，所述步骤为：
[0231]
步骤1：采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型。
[0232]
步骤2：构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；
[0233]
步骤3：根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；
[0234]
步骤4：设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束的条件下完成期望跟踪。
[0235]
详细步骤与实施例一提供的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法相同，这里不再赘述。
[0236]
实施例四：
[0237]
本发明实施例四提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例一所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法中的步骤，所述步骤为：
[0238]
步骤1：采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型。
[0239]
步骤2：构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；
[0240]
步骤3：根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；
[0241]
步骤4：设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束的条件下完成期望跟踪。
[0242]
详细步骤与实施例一提供的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法相同，这里不再赘述。
[0243]
以上实施例二、三和四中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
[0244]
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0245]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型；构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束的条件下完成期望跟踪。2.如权利要求1所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，其特征在于，闭环系统的船舶模型为：闭环系统的船舶模型为：其中，h(x1,x2)＝m-1
(-c(x2)x
2-d(x2)x
2-g(x1))。3.如权利要求1所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，其特征在于，辅助系统产生的补偿信号具有有界性。4.如权利要求1所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，其特征在于，设计自适应固定时间跟踪控制器时，通过引入速度函数来保证系统跟踪性能。5.如权利要求1所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，自适应固定时间跟踪控制器的具体设计过程为：基于跟踪控制性能引入速度函数和速率函数；结合补偿信号，得到基于速度函数的误差变换；根据约束状态构造blf；设计基于事件触发的固定时间自适应跟踪控制算法；根据跟踪控制算法进行分析，设计跟踪控制器。6.如权利要求1所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，其特征在于，自适应固定时间跟踪控制器设计为：其中τ
i
(t)是控制信号τ的第i个分量，α
2i
是α2的第i个元素，表示控制信号τ
i
(t)的更新时间；自适应固定时间跟踪控制器的事件驱动策略取为：自适应固定时间跟踪控制器的事件驱动策略取为：
其中，表示控制信号τ
i
(t)的更新时间，表示第i个执行器的采样误差，是相应的信号传递时间，m
i
即m的第i行，同时m1＞0为设计参数，且i＝1,2,3。7.如权利要求1所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法，其特征在于，自适应控制策略实现的目标包括:1)闭环系统的船舶模型中所有信号都是有界的；2)期望轨迹x
d
＝[x
d1
,x
d2
,x
d3
]
t
被x1＝[x
11
,x
12
,x
13
]
t
在预先指定的时间t之前完成跟踪，同时跟踪误差满足:lim
t
→
t
|x
1i-x
di
|＜ε并且|x
1i-x
di
|
t≥t
＜ε(i＝1,2,3)，其中ε是一个预设的任意小常数；3)闭环系统状态不违反期望约束：||x1(t)||＜k
a
(t)，||x2(t)||＜k
b
(t)，式中k
a
(t)和k
b
(t)为严格正的连续函数。8.基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制系统，其特征在于，包括：模型构建模块，被配置为采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型；模型优化模块，被配置为构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；控制器设计模块，被配置为根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；预定性能跟踪控制模块，被配置为设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束的条件下完成期望跟踪。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法。10.一种终端设备，其特征在于，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法。

技术总结
本发明公开了一种基于事件驱动的全驱船舶预定性能跟踪控制方法及系统，涉及预定性能跟踪控制技术领域。包括步骤：采集目标船舶参数信息，基于全驱船舶的闭环系统建立船舶模型；构造辅助系统产生补偿信号，对船舶模型由于输入饱和造成的不良影响进行补偿；根据补偿信号设计自适应固定时间跟踪控制器；设置自适应固定时间跟踪控制器参数，对自适应固定时间跟踪控制器输入预设时间内的控制目标，控制器输出对执行器的控制指令，使船舶的闭环系统在服从约束的条件下完成期望跟踪。本发明针对一类全驱动水面船舶，在全状态约束、集总干扰和输入饱和条件下，基于事件驱动实现了对固定时间预设性能的控制。间预设性能的控制。间预设性能的控制。


技术研发人员：张中才 高阳 卞金山 武玉强
受保护的技术使用者：曲阜师范大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/21