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申请/专利权人：上海船舶运输科学研究所有限公司

摘要：本发明涉及一种基于虚拟控制转换的欠驱动船舶轨迹跟踪控制系统和方法，该系统包括船舶运动数学模型构建模块和控制器设计模块，分别构建船舶运动数学模型并设计控制器的控制策略，控制器设计模块包括轨迹跟踪误差模块、虚拟控制转换模块、指令滤波模块、自适应律模块、有限时间模块和控制策略模块，根据反步法的原理，设计虚拟控制律稳定跟踪误差，并对虚拟控制律进行范数计算和虚拟控制转换得到符合欠驱动系统特性的虚拟控制，再引入双曲正切函数以及结合自适应技术、有限时间技术和事件触发技术，形成控制器的控制策略，进而优化船舶运动数学模型的动态参数，有效提高欠驱动船舶的轨迹跟踪性能，使船舶更加安全、更加高效地完成任务。

主权项：1.一种基于虚拟控制转换的欠驱动船舶轨迹跟踪控制系统，其特征在于，包括船舶运动数学模型构建模块和控制器设计模块，所述船舶运动数学模型构建模块，根据非线性动力学的原理，利用水动力参数、惯性质量以及受到执行器故障和输入饱和的纵荡控制力和艏摇控制力联合构建带未知且有界的外部干扰情况下的分别表示船舶在大地坐标系下的位置导数和航向角导数三自由度以及分别表示船舶的纵荡速度导数、横荡速度导数和艏摇角速度导数三自由度的船舶运动数学模型；通过所述船舶运动数学模型描述受控对象的动态行为；所述控制器设计模块，包括轨迹跟踪误差模块、虚拟控制转换模块、指令滤波模块、自适应律模块、有限时间模块和控制策略模块，所述轨迹跟踪误差模块、虚拟控制转换模块、指令滤波模块依次连接，所述指令滤波模块、自适应律模块和有限时间模块均与控制策略模块连接；所述轨迹跟踪误差模块将船舶运动数学模型输出的实际位姿信号与设计的参考轨迹信号作差以构建轨迹跟踪误差；所述虚拟控制转换模块根据反步法的原理，设计虚拟控制律稳定所述轨迹跟踪误差，并对虚拟控制律进行范数计算和虚拟控制转换得到符合欠驱动特性的虚拟控制；所述指令滤波模块采用指令滤波技术获取滤波后的虚拟控制以及滤波后的虚拟控制的导数，并将滤波后的虚拟控制作为系统的参考速度进而构造速度误差，再基于滤波后的虚拟控制的导数设计系统控制律；所述自适应律模块引入双曲正切函数采用自适应技术设计自适应律在线逼近系统内部的不确定动态；所述有限时间模块通过多元有限时间扰动观测器补偿系统外部的不确定动态；所述控制策略模块联合所述系统控制律、自适应律和多元有限时间扰动观测器形成控制器的控制策略，进而优化船舶运动数学模型的动态参数，完成预期的欠驱动船舶轨迹跟踪控制。

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