本发明涉及船舶控制，具体而言，涉及一种船舶动力定位自适应有限时间控制系统及控制方法。
背景技术：
1、随着人们对于海洋的越发重视，以及海洋资源的日益探索和开发，对于船舶动力定位控制系统的研究也越来越多。船舶动力定位系统主要通过船舶的执行机构使得其在环境干扰的作用下能够保持在预先设定的期望位置和艏向。运用船舶动力定位技术，在执行海上任务时，不会受到水深限制，能够在复杂多变的海况下工作，具有良好工作性能。因而船舶动力定位控制系统被大量应用在各种海洋环境和各类船舶上，例如：海上钻井平台，海洋科考船，电缆铺设船等。
2、目前，动力定位船执行机构存在饱和特性，且大部分理论研究中，在动力定位控制系统设计过程忽视执行机构饱和问题，导致船舶控制性能差。此外，大多数文献并未采用有限时间控制技术和事件触发机制，导致系统误差收敛速度较慢，且容易造成执行机构磨损。
技术实现思路
1、本发明解决的问题是在船舶动力定位控制过程中，如何消除因船舶的执行机构饱和而影响控制系统稳定性，同时提高控制系统的收敛速度及稳定性。
2、为解决上述问题，本发明提供一种船舶动力定位自适应有限时间控制系统：包括：引导装置、控制装置、输入饱和特性装置、干扰估计装置和辅助动态装置：
3、所述引导装置用于根据设定的期望位置和实测位姿，生成各个时刻的期望位姿；
4、所述控制装置用于根据所述期望位姿和所述实测位姿得到位姿跟踪误差向量，根据所述位姿跟踪误差向量得到虚拟控制律，根据所述虚拟控制律、实测速度、所述干扰估计装置的输出和所述辅助动态装置的输出得到临时控制律，根据预设触发条件、所述临时控制律目标和上一时刻的所述控制装置的输出得到目标控制律；
5、所述输入饱和特性装置用于根据预设饱和律和所述目标控制律得到最终控制律，并传至船舶的执行机构；
6、所述辅助动态装置用于根据所述目标控制律和所述最终控制律得到控制律偏差，根据所述控制律偏差输出辅助状态；
7、所述干扰估计装置用于根据所述实测速度、所述虚拟控制律和所述辅助状态输出干扰估计值。
8、可选地，所述扰估计值包括：
9、
10、其中，z2＝[z21,z22,z23]t＝υ-α-ξ，υ为所述实测速度，α为所述虚拟控制律，z21为纵向速度跟踪误差，z22为横向速度跟踪误差，z23为艏向角速度跟踪误差，ξ为所述辅助状态，为的估计值，为的估计值的导数，为自适应律，x＝[ηt,υt]t为神经网络的输入向量，为理想权值矩阵，m为神经元个数，hi(x)＝[hi1(x),hi2(x),…,him(x)]t，其中的分量为高斯基函数。
11、可选地，所述自适应律包括：
12、
13、其中，γ1，kw1和kw2为正定矩阵，sigρ(·)＝|·|ρsign(·)，0<ρ<1，sign(·)为符号函数，为的导数。
14、可选地，所述根据所述位姿跟踪误差向量得到虚拟控制律，包括：
15、通过式一得到所述虚拟控制律；
16、所述式一为：
17、
18、其中，z1为所述位姿跟踪误差向量，z1＝[z11,z12,z13]t＝η-ηd，η为实测位姿，ηd为所述期望位姿，为所述期望位姿的导数，z11为纵向位置跟踪误差，z12为横向位置跟踪误差，z13为艏向角跟踪误差，k1和k2为正定预设矩阵，r是大地坐标系和船体坐标系的转换矩阵，sigρ(·)＝|·|ρsign(·)，0<ρ<1，sign(·)为符号函数。
19、可选地，所述根据所述虚拟控制律、实测速度、所述干扰估计装置的输出和所述辅助动态装置的输出得到临时控制律，包括：
20、根据所述虚拟控制律和所述实测速度得到速度跟踪误差向量；
21、根据所述虚拟控制律、所述速度跟踪误差向量、所述干扰估计装置的输出和所述辅助动态装置的输出得到临时控制律。
22、可选地，所述根据所述虚拟控制律、所述速度跟踪误差向量、所述干扰估计装置的输出和所述辅助动态装置的输出得到临时控制律，包括：
23、根据所述虚拟控制律、所述速度跟踪误差向量、所述干扰估计装置的输出和所述辅助动态装置的输出得到动力学控制律；
24、根据所述动力学控制律得到所述临时控制律；
25、其中，所述动力学控制律为：
26、
27、其中，k3，k4，λ1和λ2为正定矩阵，sigρ(·)＝|·|ρsign(·)，0<ρ<1，sign(·)为符号函数，m为船舶系统惯性矩阵，为虚拟控制律的导数。
28、可选地，所述根据所述动力学控制律得到所述临时控制律，包括：
29、通过式二得到所述临时控制律；
30、
31、其中，分别为所述临时控制律在纵向，横向和艏向上的分量，i为三阶单位矩阵，σ为三阶正定对角矩阵，且对角线元素0<σii<1,i＝1,2,3，和为正常数，z2为所述速度跟踪误差向量。
32、可选地，所述根据所述控制律偏差输出辅助状态，包括：
33、通过式三得到所述辅助状态；
34、所述式三为：
35、
36、其中，δτ＝τ-τc，即为所述控制律偏差，τc为所述目标控制律，τ为所述最终控制律，λ1和λ2为正定预设矩阵，m为船舶系统惯性矩阵，ξ为所述辅助状态，为所述辅助状态的导数，sigρ(·)＝|·|ρsign(·)，0<ρ<1，sign(·)为符号函数。
37、可选地，所述根据预设触发条件、所述临时控制律目标和上一时刻的所述控制装置的输出得到目标控制律，包括：
38、根据所述临时控制律目标和上一时刻的所述控制装置的输出得到误差矢量；
39、当所述误差矢量满足所述预设触发条件时，所述临时控制律为所述目标控制律；
40、当所述误差矢量不满足所述预设触发条件时，上一时刻的所述控制装置的输出为所述目标控制律；
41、其中，上一时刻的所述控制装置的输出为上一时刻的目标控制律。
42、本发明所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统相对于现有技术的优势在于：
43、通过引入控制装置，根据引导装置的输出(期望位姿)和实测位姿得到虚拟控制律，通过虚拟控制律、实测位姿、干扰装置的输出(干扰估计值)和辅助动态装置的输出(辅助状态)得到临时控制律，并根据临时控制律和上一时刻的控制装置的输出，基于预设触发条件判断是否触发，并得到目标控制律，其中预设触发条件，即触发机制的设定，是为了降低执行机构动作次数，减少执行机构磨损；且控制装置的输出(目标控制律)是基于有限时间控制理论进行设定，能够使得跟踪误差在有限时间内收敛。
44、输入饱和特性装置是根据预设饱和律和所述目标控制律得到最终控制律，其中预设饱和律是基于船舶的执行机构饱和情况进行设定，若执行机构处于未饱和状态，即满足预设饱和律的范围时，无需对目标控制律进行调整，可直接转至执行机构，若执行机构处于饱和状态，即不满足预设饱和律的范围时，则需对目标控制律进行调整，并将调整后的目标控制作为输出(最终控制律)至执行机构，通过输入饱和特性装置解决了因执行机构饱和而引起的稳定性差；而辅助状态根据目标控制律和最终控制律(辅助动态装置的输出)的差值得到，即当执行机构机构出现饱和时，系统才会产生辅助状态，并传至干扰估计装置和控制装置，干扰估计装置的输出(干扰估计值)传至控制装置，控制装置基于干扰估计值和辅助状态调整下一时刻的输出，进而解决了执行结构的饱和情况，其中，干扰估计包含未知的模型参数以及环境干扰。
45、因此，本发明在考虑动力定位船舶模型不确定、外界环境干扰和执行机构饱和的情况下，通过控制装置可快速得到船舶的跟踪误差，并使其在有限时间内快速收敛，通过虚拟控制律、实测位姿、干扰装置的输出(干扰估计值)和辅助动态装置的输出(辅助状态)得到临时控制律，采用有限时间控制理论，能够使得跟踪误差在有限时间内收敛，即整个控制系统是有限时间稳定的，提高了误差收敛速度，加快了船舶到达期望设定点的速度，增强了控制性能；基于预防触发条件(触发机制)判断是否触发，降低执行机构动作次数，减少执行机构磨损，改善控制系统的控制性能，而对于输入饱和特性装置的预设饱和律和辅助动态装置的设定，解决了因执行机构饱和时引起的控制精度减低，甚至导致系统发散的问题。
46、为解决上述技术问题，本发明还提供一种船舶动力定位自适应有限时间控制方法，应用于所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，所述船舶动力定位自适应有限时间控制方法包括：
47、根据设定的期望位置和实测位姿，生成各个时刻的期望位姿；
48、根据所述期望位姿和所述实测位姿得到位姿跟踪误差向量，并根据所述位姿跟踪误差向量得到虚拟控制律；
49、根据所述虚拟控制律、实测速度、干扰估计值和辅助状态得到临时控制律，其中，所述干扰估计值根据所述实测速度、所述虚拟控制律和所述辅助状态得到；
50、根据预设触发条件、所述临时控制律目标和上一时刻的所述船舶动力定位自适应有限时间控制系统中控制装置的输出得到目标控制律；
51、根据预设饱和律和所述目标控制律得到最终控制律；
52、其中，所述辅助状态根据所述目标控制律和所述最终控制律的差值得到。
53、本发明所述的船舶动力定位自适应有限时间控制方法与所述船舶动力定位自适应有限时间控制系统相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
1.一种船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述船舶动力定位自适应有限时间控制系统包括：引导装置、控制装置、输入饱和特性装置、干扰估计装置和辅助动态装置：
2.根据权利要求1所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述扰估计值包括：
3.根据权利要求2所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述自适应律包括：
4.根据权利要求1所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述根据所述位姿跟踪误差向量得到虚拟控制律，包括：
5.根据权利要求2所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述根据所述虚拟控制律、实测速度、所述干扰估计装置的输出和所述辅助动态装置的输出得到临时控制律，包括：
6.根据权利要求5所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述根据所述虚拟控制律、所述速度跟踪误差向量、所述干扰估计装置的输出和所述辅助动态装置的输出得到临时控制律，包括：
7.根据权利要求6所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述根据所述动力学控制律得到所述临时控制律，包括：
8.根据权利要求1所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述根据所述控制律偏差输出辅助状态，包括：
9.根据权利要求1所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，其特征在于，所述根据预设触发条件、所述临时控制律目标和上一时刻的所述控制装置的输出得到目标控制律，包括：
10.一种船舶动力定位自适应有限时间控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的船舶动力定位自适应有限时间控制系统，所述船舶动力定位自适应有限时间控制方法包括：
