[发明专利]一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统，其特征在于：包括传感器模块、扩展卡尔曼滤波器、海图计算单元、环境干扰补偿器、控制器、船舶动力装置；

传感器模块包括位置参考系统和罗经，位置参考系统采集船舶实际位置经纬度转化为北东坐标系信息x、y后传送给扩展卡尔曼滤波器，罗经采集航向信息ψ传送给扩展卡尔曼滤波器；扩展卡尔曼滤波器根据接收的北东坐标信息x、y和航向信息ψ估计出的状态估计信息，状态估计信息包括：北向坐标估计值东向坐标估计值航向角估计值纵向速度估计值横向速度估计值转首角速度估计值动力定位流流速估计值和动力定位流流向估计值将状态估计信息分别传送给海图计算单元、环境干扰补偿器和控制器；

海图计算单元根据接收的北向坐标估计值东向坐标估计值航向角估计值和控制台人机界面输入的指令，产生动态的北向坐标期望值x_d、东向坐标期望值y_d、航向角期望值ψ_d，传送给控制器；

环境干扰补偿器根据接收的状态估计信息，使用历史控制信息，得到环境干扰力以缓慢变化的形式传送给控制器；

控制器包括优化器和非线性模型预测控制器，优化器产生最优初始控制值传送给非线性模型预测器，非线性模型预测器产生控制指令传送给船舶动力装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统，其特征在于：

所述的优化器采用线性二次最优控制，

船舶的数学模型为：

u·v·r·=M-1Xuur+X|u|u|ur|ur+XYvvr+Y|v|v|vr|vr+Yrr+YNvvr+Nrr+N|r|r|r|r+N]]>

其中：XYN=τX+wXτY+wYτN+wN,]]>ν＝[u v r]^Τ为船舶附体坐标系下的纵向、横向速度和回转速率，η＝[x y ψ]^Τ为北东大地坐标系下的北东坐标位置和航向角度，M为惯性矩阵，包括船体惯量M_RB和附加质量矩阵M_A，M=m-Xu·000m-Yv·000Iz-Nr·,]]>和推进器的推力τ＝[τ_X τ_Y τ_N]^Τ；

得到船舶数学模型的向量形式：

x·=f(x,u)]]>

x0=x^]]>

其中x₀为当前时刻得到的状态估计值x＝[u v r]^Τ，u＝[X Y N]^Τ，

优化器采用的最优控制为：

u^*(t，x)=-R^-1(t)B^T(t)K(t)x

其中K(t)是黎卡提矩阵微分方程：

K·+KA(t)+AT(t)K+Q(t)-KB(t)R-1(t)BT(t)K=0]]>

K(t_f)＝F

的唯一非负解值，状态矩阵B(t)=∂f∂u=M-1100010001,]]>

性能指标为：

J[u(·)]=12xT(tf)Fx(tf)+12∫t0tf(xT(t)Q(t)x(t)+uT(t)R(t)u(t))dt]]>

其中对于任意t∈[t₀,t_f]，都有F≥0，Q≥0，R＞0。