[发明专利]一种基于解析模型预测控制设计的船舶舵减摇方法

说明书

技术领域

本发明属于船舶工程、控制科学与控制工程领域，涉及一种基于解析模型预测控制设计的船舶舵减摇方法。

背景技术

由于船舶横摇运动阻尼很小，使得船舶在风浪中会产生剧烈的横摇，过大的横摇会对船舶航行性能和安全性带来很大的影响，为保证船舶在复杂海况安全航行，舵减横摇技术作为一种新型控制思想，近年来在国内外受到了极大的关注，而且用舵来进行减摇装置的设计，简单方便，价格低廉，因此，舵减摇技术是船舶运动控制领域中一个重要研究课题。

目前对于舵减横摇系统的控制，国内外都有一定的研究，但尚未发现应用解析模型预测控制进行舵减摇设计的文献和专利成果。

由于船舶运动本质上是非线性的，从船舶运动环境和自身运动特征可知，其精确的数学模型难以得到，造成模型参数具有不确定性，因而，船舶舵减横摇控制器应该基于非线性控制理论来设计，且必须具有对模型参数摄动的鲁棒性。船舶舵减横摇控制要求在非线性模型具有参数不确定前提下对海浪引起的横摇运动抑制，舵减横摇摇控制器设计必须满足对模型参数摄动的鲁棒性。但传统PID，LQG控制算法，不能有效处理模型非线性和参数不确定性问题。解析模型预测控制是针对非线性模型提出的，具有易于建模、响应迅速、控制性能较好、鲁棒性强和逻辑结构简单等特点，但目前解析模型预测控制在大多情况下，只解决确定性标称系统的控制问题，为此针对非线性系统模型参数不确定性问题，提出一种改进解析模型预测控制方法。首先，将其重定义成带有不确定项标称系统模型，基于解析模型预测控制理论对重定义标称模型进行理论推导，得到含有不确定项的控制律。由于控制规律有界，取其边界值，从理论推导上消除了控制器中的不确定项，有效的解决了模型中的参数不确定性问题。

船舶舵减横摇控制系统仅能测量船舶横摇角，应用解析模型预测控制方法时须引入状态观测器以获得控制器需要的横摇角速率信息。相比其他观测器，高增益观测器的稳定性和精度有理论保证，计算简便参数少，参数一旦选定，无需调整。由于高增益观测器设计过程中部分函数需满足局部李普希兹条件，这样舵减横摇控制最终需给出其满足设计高增益观测器所需条件，本文证明给出其需要满足条件的详细证明，为其应用提供依据。该方案无需状态可测，通过状态观测器直接获得观测值，解决了横摇角速度不可测问题。

发明内容

本发明的目的在于提供能够有效抑制模型的参数摄动的基于解析模型预测控制设计的船舶舵减摇方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于解析模型预测控制设计的船舶舵减摇方法包括：

(1)获取控制对象的各项系数，包括a₁，a₂，a₃，a₄，b及相对应的由航速及横稳性高度变化引起的不确定项的边界值m_i(i＝1,2,3,4)，b₁，控制对象为：