[发明专利]一种船舶航向区间控制方法和系统

权利要求书

1.一种船舶航向区间控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据航向控制增广状态空间方程中的状态预测矩阵A计算多步预测状态矩阵P，根据输入矩阵B计算多步输入矩阵H；

根据当前k时刻的航向角和舵角通过观测器获取当前k时刻状态变量估计值z_k，并更新反馈校正矩阵D；

由所述当前k时刻状态变量估计值z_k，通过所述多步预测状态矩阵P、多步输入矩阵H和更新之后的反馈校正矩阵D获取多步预测状态变量

构建包含优化参考轨迹α、舵角增量输出向量Δδ_r和所述多步预测状态变量的代价函数，结合舵角约束条件、舵速约束条件和区间约束条件，求解约束条件下的二次规划，从而获得舵角舵速约束下的舵角增量输出向量Δδ_r。

2.如权利要求1所述的船舶航向区间控制方法，其特征在于，所述船舶航向控制增广状态空间方程为

其中

是当前k时刻舵角增量输出向量，a₁₁，a₁₂，a₂₁，a₂₂是已知的水动力相关参数，b₁，b₂是已知的执行器相关参数，v_k是船舶的横向速度，r_k是船舶的艏向角速度，是航向角，是舵角。

3.如权利要求2所述的船舶航向区间控制方法，其特征在于，所述多步预测状态矩阵

所述多步输入矩阵

其中n_y是预测步长，C为一个常值矩阵且C＝[0 0 1 0]，所述多步输入矩阵H的列数为控制步长n_u。

4.如权利要求3所述的船舶航向区间控制方法，其特征在于，所述更新反馈校正矩阵D包括：

1)在当前k时刻计算航向预测值

2)获取实际值与所述航向预测值的误差

3)根据所述误差获取航向校正隹其中λ为小于1的常数，的初始值

4)由所述航向校正值更新反馈校正矩阵

5.如权利要求4所述的船舶航向区间控制方法，其特征在于，所述多步预测状态变量其中

6.如权利要求5所述的船舶航向区间控制方法，其特征在于，所述代价函数

代表二范数，权重矩阵为Q；代表二范数，权重矩阵为R；M为维数匹配矩阵。

7.如权利要求6所述的船舶航向区间控制方法，其特征在于，所述舵速约束条件为

其中和Δδ_r分别为舵速的上下限约束，矩阵是维数等于控制步长n_u的单位矩阵。

8.如权利要求6所述的船舶航向区间控制方法，其特征在于，所述舵角约束条件为

其中和δ_r分别为舵角的上下限约束，矩阵是维数等于控制步长n_u的方阵，矩阵中的元素I为单位矩阵。

9.如权利要求6所述的船舶航向区间控制方法，其特征在于，所述区间约束条件为

其中矩阵是维数等于n_m的单位矩阵，n_m为优化参考轨迹α的步长，和α分别为优化参考轨迹的上下界。

10.一种船舶航向区间控制系统，其特征在于，包括

多步预测状态矩阵获取模块，用于根据航向控制增广状态空间方程中的状态预测矩阵A获取多步预测状态矩阵P；

多步输入矩阵获取模块，用于根据航向控制增广状态空间方程中的输入矩阵B获取多步输入矩阵H；

反馈校正矩阵获取模块，用于根据当前k时刻的航向角阳舵角通过观测器获取当前k时刻状态变量估计值z_k，并更新反馈校正矩阵D；

多步预测模块，用于由所述当前k时刻状态变量估计值z_k，通过所述多步预测状态矩阵P、多步输入矩阵H和更新之后的反馈校正矩阵D获取多步预测状态变量

二次规划模块，构建包含优化参考轨迹α、舵角增量输出向量Δδ_r和所述多步预测状态变量的代价函数，结合舵角约束条件、舵速约束条件和区间约束条件，求解约束条件下的二次规划，从而获得舵角舵速约束下的舵角增量输出向量Δδ_r。