本发明提供了一种水翼双体船航向横倾控制方法及装置，包括：根据水翼双体船动态特性参数、伺服系统动态特性参数、外界干扰和伺服系统干扰，得到带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型；根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型，得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值；根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。本发明提供的水翼双体船航向横倾控制方法及装置，提高了水翼伺服系统的控制精度和抗干扰能力，保证了能够计算出更优的力/力矩和襟尾翼翼角，用于镇定艏摇角与横摇角。
1.一种水翼双体船航向横倾控制方法，其特征在于，包括：
根据水翼双体船动态特性参数、伺服系统动态特性参数、外界干扰和伺服系统干扰，得到带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型；
根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型，得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值；
根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据水翼双体船航向横倾动力学模型，计算得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值，包括：根据水翼双体船航向横倾动力学模型和外界干扰，通过水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器，得到外界干扰的估计值；
根据水翼双体船航向横倾动力学模型和伺服系统干扰，通过水翼伺服系统干扰估计器，得到伺服系统干扰的估计值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量，包括：根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量，包括：利用带有二阶低通滤波器的反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量；所述反演控制器的反演过程的每一步会产生虚拟控制律，所述二阶低通滤波器用于产生虚拟控制率的微分，所述虚拟控制率的微分用于下一次反演过程。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，
所述水翼双体船动态特性参数包括：回转角速度r、横倾角速度p、横倾角φ、航向角ψ、水翼双体船高速翼航状态下的航速u0；
所述伺服系统动态特性参数包括：柱翼舵舵角δR、襟尾翼翼角δA、伺服系统电压信号输入矩阵uV；
所述带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型为
其中，x1＝[φ ψ]T，x2＝[p r]T，uδ＝[δR δA]T，x3＝[δR δA]T， d1为外界干扰，d2为伺服系统干扰，F1(u0,x2)为水翼双体船水动力参数矩阵，F2(u0,x4)为伺服系统描述函数矩阵， 为水翼双体船航向横倾回路控制矩阵， 为伺服系统回路控制矩阵；
所述水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器具有以下形式：
其中，为伺服系统干扰d1的估计值，l11、l12、p11和p12为水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器的相关增益；
其中， 为外界干扰d2的估计值,l21、l22、p21、p22为水翼伺服系统干扰估计器的相关增益；
所述水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器和所述水翼伺服系统干扰估计器的约束条件为 i＝1,2，j＝0,1,2。
6.一种水翼双体船航向横倾控制装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于根据水翼双体船动态特性参数、伺服系统动态特性参数、外界干扰和伺服系统干扰，得到带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型；
分析计算模块，用于根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型，得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值；
控制量计算模块，用于根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分析计算模块，具体用于：根据水翼双体船航向横倾动力学模型和外界干扰，通过水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器，得到外界干扰的估计值；
根据水翼双体船航向横倾动力学模型和伺服系统干扰，通过水翼伺服系统干扰估计器，得到伺服系统干扰的估计值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制量计算模块，具体用于根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量，包括：利用带有二阶低通滤波器的反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量；所述反演控制器的反演过程的每一步会产生虚拟控制律，所述二阶低通滤波器用于产生虚拟控制率的微分，所述虚拟控制率的微分用于下一次反演过程。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，
所述水翼双体船动态特性参数包括：回转角速度r、横倾角速度p、横倾角φ、航向角ψ、水翼双体船高速翼航状态下的航速u0；
所述伺服系统动态特性参数包括：柱翼舵舵角δR、襟尾翼翼角δA、伺服系统电压信号输入矩阵uV；
所述带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型为
其中，x1＝[φ ψ]T，x2＝[p r]T，uδ＝[δR δA]T，x3＝[δR δA]T， d1为外界干扰，d2为伺服系统干扰，F1(u0,x2)为水翼双体船水动力参数矩阵，F2(u0,x4)为伺服系统描述函数矩阵， 为水翼双体船航向横倾回路控制矩阵， 为伺服系统回路控制矩阵；
所述水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器具有以下形式：
其中，为伺服系统干扰d1的估计值，l11、l12、p11和p12为水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器的相关增益；
其中， 为外界干扰d2的估计值,l21、l22、p21、p22为水翼伺服系统干扰估计器的相关增益；
所述水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器和所述水翼伺服系统干扰估计器的约束条件为 i＝1,2，j＝0,1,2。
水翼双体船航向横倾控制方法及装置
技术领域
[0001] 本发明具体涉及一种水翼双体船航向横倾跟踪控制方法及装置。
背景技术
[0002] 水翼双体船是一种集高速双体船和水翼船优点于一身的全新概念的复合型高性能船。由于水翼提供了将船体托出水面的升力，所以水翼船克服了兴波阻力和摩擦阻力对船舶速度的限制，降低了海浪对船体的冲击，较排水量型船有良好的适航性。但由于船体被水翼的升力抬升出水面，因此在高速航行过程中，对来自风浪流的干扰缺少自稳性和鲁棒性。剧烈摇摆运动，会对航行性能产生不可忽略的影响，直接影响到其适航性；导致所配备的设备产生故障，损坏船上所装载的货物，更有甚者能够危及船舶及船员的航行安全。良好的航向保持能力会提高运营效益，增强水翼双体船的安全性，降低系统故障发生率。因此水翼双体船的航向跟踪运动控制非常重要。
[0003] 目前对水翼双体船航向横倾跟踪控制的研究仅停留在动力学分析的层面。现存的控制方法多为通过状态反馈等反馈形式计算出镇定艏摇角与横摇角所需的力/力矩和襟尾翼翼角，而水翼伺服系统的动态特性却不予考虑。实质上，水翼伺服系统作为水翼双体船航向横倾跟踪控制系统的快时变内环路，其控制方法的优劣对于襟尾翼能否完美跟踪计算出的指令翼角至关重要。
发明内容
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供的水翼双体船航向横倾控制方法及装置，通过在现有的水翼双体船航向横倾跟踪控制方法中加入水翼伺服系统的动态特性，提高了水翼伺服系统的控制精度和抗干扰能力，保证了能够计算出更优的力/力矩和襟尾翼翼角，用于镇定艏摇角与横摇角。
[0005] 第一方面，本发明提供的水翼双体船航向横倾控制方方法，包括：根据水翼双体船动态特性参数、伺服系统动态特性参数、外界干扰和伺服系统干扰，得到带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型；根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型，得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值；根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
[0006] 本发明实施例提供的水翼双体船航向横倾控制方法，通过在现有的水翼双体船航向横倾跟踪控制方法中加入水翼伺服系统的动态特性，提高了水翼伺服系统的控制精度和抗干扰能力，保证了能够计算出更优的力/力矩和襟尾翼翼角，用于镇定艏摇角与横摇角。
[0007] 优选地，所述根据水翼双体船航向横倾动力学模型，计算得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值，包括：根据水翼双体船航向横倾动力学模型和外界干扰，通过水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器，得到外界干扰的估计值；根据水翼双体船航向横倾动力学模型和伺服系统干扰，通过水翼伺服系统干扰估计器，得到伺服系统干扰的估计值。
[0008] 优选地，所述根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量，包括：根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
[0009] 优选地，所述利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量，包括：利用带有二阶低通滤波器的反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量；所述反演控制器的反演过程的每一步会产生虚拟控制律，所述二阶低通滤波器用于产生所述虚拟控制率的微分，所述虚拟控制率的微分用于下一次反演过程。
[0010] 优选地，所述水翼双体船动态特性参数包括：回转角速度r、横倾角速度p、横倾角φ、航向角ψ、水翼双体船高速翼航状态下的航速u0；
[0011] 所述伺服系统动态特性参数包括：柱翼舵舵角δR、襟尾翼翼角δA、伺服系统电压信号输入矩阵uV；
[0012] 所述带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型为[0013]
[0014]
[0015]
[0016]
[0017] 其中，x1＝[φ ψ]T，x2＝[p r]T，uδ＝[δR δA]T，x3＝[δR δA]T， d1为外界干扰，d2为伺服系统干扰，F1(u0,x2)为水翼双体船水动力参数矩阵，F2(u0,x4)为伺服系统描述函数矩阵， 为水翼双体船航向横倾回路控制矩阵， 为伺服系统回路控制矩阵；
[0018] 所述水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器具有以下形式：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，为伺服系统干扰d1的估计值，l11、l12、p11和p12为水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器的相关增益；
[0024] 所述水翼伺服系统干扰估计器具有以下形式：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 其中， 为外界干扰d2的估计值,l21、l22、p21、p22为水翼伺服系统干扰估计器的相关增益；
[0030] 所述水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器和所述水翼伺服系统干扰估计器的约束条件为 i＝1,2，j＝0,1,2。
[0031] 第二方面，本发明提供的水翼双体船航向横倾控制方法装置，包括：模型建立模块，用于根据水翼双体船动态特性参数、伺服系统动态特性参数、外界干扰和伺服系统干扰，得到带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型；分析计算模块，用于根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型，得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值；控制量计算模块，用于根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
[0032] 本发明实施例提供的水翼双体船航向横倾控制方法，通过在现有的水翼双体船航向横倾跟踪控制方法中加入水翼伺服系统的动态特性，提高了水翼伺服系统的控制精度和抗干扰能力，保证了能够计算出更优的力/力矩和襟尾翼翼角，用于镇定艏摇角与横摇角。
[0033] 优选地，所述分析计算模块，具体用于：根据水翼双体船航向横倾动力学模型和外界干扰，通过水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器，得到外界干扰的估计值；根据水翼双体船航向横倾动力学模型和伺服系统干扰，通过水翼伺服系统干扰估计器，得到伺服系统干扰的估计值。
[0034] 优选地，所述控制量计算模块，具体用于根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
[0035] 优选地，所述利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量，包括：利用带有二阶低通滤波器的反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量；所述反演控制器的反演过程的每一步会产生虚拟控制律，所述二阶低通滤波器用于产生所述虚拟控制率的微分，所述虚拟控制率的微分用于下一次反演过程。
[0036] 优选地，所述水翼双体船动态特性参数包括：回转角速度r、横倾角速度p、横倾角φ、航向角ψ、水翼双体船高速翼航状态下的航速u0；
[0037] 所述伺服系统动态特性参数包括：柱翼舵舵角δR、襟尾翼翼角δA、伺服系统电压信号输入矩阵uV；
[0038] 所述带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型为[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 其中，x1＝[φ ψ]T，x2＝[p r]T，uδ＝[δR δA]T，x3＝[δR δA]T， d1为外界干扰，d2为伺服系统干扰，F1(u0,x2)为水翼双体船水动力参数矩阵，F2(u0,x4)为伺服系统描述函数矩阵， 为水翼双体船航向横倾回路控制矩阵， 为伺服系统回路控制矩阵；
[0044] 所述水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器具有以下形式：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 其中，为伺服系统干扰d1的估计值，l11、l12、p11和p12为水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器的相关增益；
[0050] 所述水翼伺服系统干扰估计器具有以下形式：
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 其中， 为外界干扰d2的估计值,l21、l22、p21、p22为水翼伺服系统干扰估计器的相关增益；
[0056] 所述水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器和所述水翼伺服系统干扰估计器的约束条件为 i＝1,2，j＝0,1,2。
附图说明
[0057] 图1示出了本发明实施例所提供的一种水翼双体船航向横倾控制方法的流程图；
[0058] 图2示出了本发明实施例所提供的一种水翼双体船航向横倾控制方法的流程图；
[0059] 图3示出了本发明实施例所提供的一种水翼双体船航向横倾控制装置的结构框图；
[0060] 图4为水翼双体船回转角速度和回转角仿真曲线；
[0061] 图5为水翼双体船横倾角速度和横倾角仿真曲线。
具体实施方式
[0062] 下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0063] 需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0064] 为了提高水翼双体船航向横倾控制精度和抗干扰能力，本发明实施例提供了水翼双体船航向横倾控制方法，具体实施方式如图1所示，包括：
[0065] 步骤S101，根据水翼双体船动态特性参数、伺服系统动态特性参数、外界干扰和伺服系统干扰，得到带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型。
[0066] 步骤S102，根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型，得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值。
[0067] 步骤S103，根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
[0068] 本发明实施例提供的方法，通过在现有的水翼双体船航向横倾跟踪控制方法中加入水翼伺服系统的动态特性，提高了水翼伺服系统的控制精度和抗干扰能力，保证了能够计算出更优的力/力矩和襟尾翼翼角，用于镇定艏摇角与横摇角。另外，将水翼双体船的航向横倾姿态控制落实到伺服系统层面，控制量直接为伺服系统电机驱动电压信号，对于水翼双体船的工程设计更具有现实意义。
[0069] 其中，水翼双体船动态特性参数包括：回转角速度r、横倾角速度p、横倾角φ、航向角ψ、水翼双体船高速翼航状态下的航速u0。
[0070] 其中，所述伺服系统动态特性参数包括：柱翼舵舵角δR、襟尾翼翼角δA、伺服系统电压信号输入矩阵uV。
[0071] 带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型为
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076] 其中，x1＝[φ ψ]T，x2＝[p r]T，uδ＝[δR δA]T，d1为水翼双体船模型受到的外界干扰例如海浪、海风和海流对船体和水翼系统造成的干扰力和干扰力矩。d2为伺服系统中存在的传动干扰、摩擦、以及外界环境作用在襟翼和柱翼上的力和力矩。u0为水翼双体船高速翼航状态下的航速，一般是一个固定的速度值。F1(u0,x2)为水翼双体船水动力参数矩阵，F2(u0,x4)为伺服系统描述函数矩阵， 为水翼双体船航向横倾回路控制矩阵， 为伺服系统回路控制矩阵。
[0077] 步骤S102具体包括：根据水翼双体船航向横倾动力学模型和外界干扰，通过水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器，得到外界干扰的估计值；根据水翼双体船航向横倾动力学模型和伺服系统干扰，通过水翼伺服系统干扰估计器，得到伺服系统干扰的估计值。
[0078] 水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器具有如下的形式：
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083] 其中，为伺服系统干扰d1的估计值，l11、l12、p11和p12为水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器的相关增益。
[0084] 水翼伺服系统干扰估计器具有以下形式：
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089] 其中， 为外界干扰d2的估计值；
[0090] 水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器和水翼伺服系统干扰估计器的约束条件为 i＝1,2，j＝0,1,2，为相关范数的最大值，即范数的上界。传统的干扰估计器要求干扰有界且导数对时间的极限为0，而本发明实施例中的干扰估计器只要求干扰及其导数的范数有界，因此放宽了对外界干扰的约束条件，具有更强的实用性。
[0091] 步骤S103具体包括：根据水翼双体船航向横倾动力学模型、外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值，利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
[0092] 上述步骤的具体实施方式如图2所示，图中扩展干扰器包括水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器和水翼伺服系统干扰估计器。
[0093] 为了增加了反演控制器的在线求解速度，本发明实施例在反演控制器内部加入了二阶低通滤波器，其原理是针对反演过程的每一步中产生的虚拟控制律，利用二阶低通滤波器产生虚拟控制律的微分。利用带有二阶低通滤波器的反演控制器，解决了传统反演控制由于控制系统阶数增加而产生的微分膨胀问题，利用二阶低通滤波器求解虚拟控制律的微分，增加了反演控制器的在线求解速度。该方法具体步骤如下：
[0094] 步骤一：根据水翼双体船航向横倾动力学模型，得到闭环系统的跟踪误差为e1＝x1-x1d；根据跟踪误差，得到虚拟控制量为 其中，k1为正实数,x1d为指令姿态角信息矩阵。
[0095] 利用二阶低通滤波器，得到β1的估计值和β1一阶导数的估计值，其中，二阶低通滤波器为
[0096]
[0097]
[0098] 其中,所述二阶低通滤波器的初值设置为 t0为系统初始时刻， 为β1的估计值， 为β1一阶导数的估计值，ζ1为滤波器阻尼比，ω1为滤波器自然频率。
[0099] 设计补偿跟踪误差系统为
[0100] v1＝e1-ξ1
[0101]
[0102] 其中，ξ1的初始值为ξ1(t0)＝0，ξ2的定义在步骤二中给出。
[0103] 步骤二：根据水翼双体船航向横倾动力学模型，得到闭环系统的跟踪误差进而得到虚拟控制量为
[0104]
[0105] 其中,k2为正实数。
[0106] 通过二阶低通滤波器，计算β2的估计值和β2一阶导数的估计值，其中，二阶低通滤波器为
[0107]
[0108]
[0109] 其中,所述二阶低通滤波器的初值设置为 t0为系统初始时刻， 为β2的估计值， 为β2一阶导数的估计值，ζ2为滤波器阻尼比，ω2为滤波器自然频率。
[0110] 设计跟踪误差补偿系统为
[0111] v2＝e2-ξ2
[0112]
[0113] 其中,ξ2的初始值为ξ2(t0)＝0,ξ3的定义在步骤三中给出。
[0114] 步骤三：定义系统的跟踪误差为 设计虚拟控制量为其中,k3为正实数。
[0115] 通过二阶低通滤波器，得到β3的估计值和β3一阶导数的估计值，其中，二阶低通滤波器为
[0116]
[0117]
[0118] 其中,所述二阶低通滤波器的初值设置为 t0为系统初始时刻， 为β3的估计值， 为β3一阶导数的估计值ζ3为滤波器阻尼比，ω3为滤波器自然频率。
[0119] 定义跟踪误差补偿系统
[0120] v3＝e3-ξ3
[0121]
[0122] 其中,ξ3的初始值为ξ3(t0)＝0。
[0123] 步骤四：定义系统的跟踪误差为: 得到最终控制量为
[0124]
[0125] 其中，k4为正实数，β4为控制水翼伺服驱动器的电压控制量，即为伺服系统电压信号输入矩阵uV。
[0126] 基于与上述水翼双体船航向横倾控制方法相同的构思，本发明实施例还提供了一种水翼双体船航向横倾控制装置，其结构如图3所示，包括：模型建立模块101，用于根据水翼双体船动态特性参数、伺服系统动态特性参数、外界干扰和伺服系统干扰，得到带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型；分析计算模块102，用于根据水翼双体船航向横倾动力学模型，得到外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值；控制量计算模块103，用于根据水翼双体船航向横倾动力学模型、外界干扰的估计值和伺服系统干扰的估计值，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
[0127] 本发明实施例提供的方法，通过在现有的水翼双体船航向横倾跟踪控制方法中加入水翼伺服系统的动态特性，提高了水翼伺服系统的控制精度和抗干扰能力，保证了能够计算出更优的力/力矩和襟尾翼翼角，用于镇定艏摇角与横摇角。另外，将水翼双体船的航向横倾姿态控制落实到伺服系统层面，控制量直接为伺服系统电机驱动电压信号，对于水翼双体船的工程设计更具有现实意义。
[0128] 其中，分析计算模块102具体用于：根据水翼双体船航向横倾动力学模型和外界干扰，通过水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器，得到外界干扰的估计值；根据水翼双体船航向横倾动力学模型和伺服系统干扰，通过水翼伺服系统干扰估计器，得到伺服系统干扰的估计值。
[0129] 其中，控制量计算模块103具体用于根据所述水翼双体船航向横倾动力学模型、所述外界干扰的估计值和所述伺服系统干扰的估计值，利用反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量。
[0130] 其中，控制量计算模块103具体还用于利用带有二阶低通滤波器的反演控制器，输出用于控制水翼伺服驱动器的电压控制量；反演控制器的反演过程的每一步会产生虚拟控制律，二阶低通滤波器用于产生虚拟控制率的微分，虚拟控制率的微分用于下一次反演过程。利用带有二阶低通滤波器的反演控制器，解决了传统反演控制由于控制系统阶数增加而产生的微分膨胀问题，利用二阶低通滤波器求解虚拟控制律的微分，增加了反演控制器的在线求解速度。其具体实现方式可以参照上述实施例，重复之处不再赘述。
[0131] 其中，水翼双体船动态特性参数包括：回转角速度r、横倾角速度p、横倾角φ、航向角ψ、水翼双体船高速翼航状态下的航速u0。
[0132] 其中，所述伺服系统动态特性参数包括：柱翼舵舵角δR、襟尾翼翼角δA、伺服系统电压信号输入矩阵uV。
[0133] 其中，带有水翼伺服系统动态特性的水翼双体船航向横倾动力学模型为[0134]
[0135]
[0136]
[0137]
[0138] 其中，x1＝[φ ψ]T，x2＝[p r]T，uδ＝[δR δA]T，d1为水翼双体船模型受到的外界干扰例如海浪、海风和海流对船体和水翼系统造成的干扰力和干扰力矩。d2为伺服系统中存在的传动干扰、摩擦、以及外界环境作用在襟翼和柱翼上的力和力矩。u0为水翼双体船高速翼航状态下的航速，一般是一个固定的速度值；F1(u0,x2)为水翼双体船水动力参数矩阵，F2(u0,x4)为伺服系统描述函数矩阵， 为水翼双体船航向横倾回路控制矩阵， 为伺服系统回路控制矩阵。
[0139] 其中，水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器具有以下形式：
[0140]
[0141]
[0142]
[0143]
[0144] 其中，为伺服系统干扰d1的估计值，l11、l12、p11和p12为水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器的相关增益。
[0145] 其中，水翼伺服系统干扰估计器具有以下形式：
[0146]
[0147]
[0148]
[0149]
[0150] 其中， 为外界干扰d2的估计值,l21、l22、p21、p22为水翼伺服系统干扰估计器的相关增益。
[0151] 其中，水翼双体船模型不确定性与海浪干扰估计器和所述水翼伺服系统干扰估计器的约束条件为 i＝1,2，j＝0,1,2，为相关范数的最大值，即范数上界。传统的干扰估计器要求干扰有界且导数对时间的极限为0，而本发明实施例中的干扰估计器只要求干扰及其导数的范数有界，因此放宽了对外界干扰的约束条件，具有更强的实用性。
[0152] 对本发明实施例提供的方法进行仿真分析，图4和图5为部分仿真结果。图4为水翼双体船回转角速度和回转角仿真曲线，由于回转实验能够测试船舶对于快速航向改变运动的适应性，因此采用了回转角与回转角速度来描述仿真结果，其与航向角和航向角速度可以等同表征。图5为水翼双体船横倾角速度和横倾角仿真曲线。由图4、图5可以看出，本发明实施例提供的方法，可实现航向跟踪，并且航向改变迅速，通过控制襟尾翼与柱翼的伺服系统输入电压信号可实现，定常回转时，船舶横倾角为期望横倾角度。利用本发明实施例提供的方法，可实现水翼双体船沿期望的航向角和横倾角运行，从而实现机动性和安全性的综合最优。
[0153] 本发明实施例提供的装置，通过在现有的水翼双体船航向横倾跟踪控制方法中加入水翼伺服系统的动态特性，提高了水翼伺服系统的控制精度和抗干扰能力，保证了能够计算出更优的力/力矩和襟尾翼翼角，用于镇定艏摇角与横摇角。
[0154] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
