[发明专利]一种多约束条件下的船舶航向模型预测控制算法设计方法

权利要求书

1.一种多约束条件下的船舶航向模型预测控制算法设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立船舶低噪声运动控制仿真模型；

步骤2：根据所述运动控制仿真模型为所述航向模型预测控制器建立控制目标函数；

步骤21：对所述船舶的运动过程进行线性化，得到运动状态空间模型为：

其中，v、r分别表示船舶艇体坐标系下的横向速度和偏航角速度；δ_r为方向舵舵角；

步骤22：将所述船舶的所述运动状态空间模型表述为：

其中A矩阵为B矩阵为C矩阵为[0 0 1]；

步骤23：对连续时域的所述运动状态空间模型进行离散化并引入输入量的增量控制形式，得到：

进行简化得到离散简化状态空间模型：

其中z(k)＝[x(k),u(k-1)]^T，C_o＝[C 0]；

步骤24：对于进行离散、简化后得到的所述离散简化状态空间模型进行预测步长预测，预测步长为n_y，控制步长设定为n_u，其中n_un_y，且当时间采样步长kn_u时，认为控制输入量增量为0，则输入量维持不变，得到状态量预测方程：

输出量预测方程为：

将所述状态量预测方程与所述输出量预测方程进行归纳得到：

步骤25：引入当前时刻的单步预测输出量与实际输出测量值之间的误差d(k)，得到所述状态量预测方程和所述输出量预测方程分别为：

简化为：

步骤26：根据所述步骤25中的所述状态量预测方程和所述输出量预测方程获得目标函数为：

其中为预设的参考轨迹，Q为输出误差的权值矩阵，R为输入量的权值矩阵，具体形式分别如下：

步骤27：将所述输出量预测方程代入到所述目标函数中得到所述控制目标函数：

步骤3：根据所述控制目标函数与船舶实际运行需求确定硬约束条件；

步骤4：根据所述控制目标函数和允许航向偏差条件形成软约束条件；

步骤5：根据所述控制目标函数、所述硬约束条件和所述软约束条件，在线寻优获得最优航向模型预测控制器输出。

2.根据权利要求1所述的一种多约束条件下的船舶航向模型预测控制算法设计方法，其特征在于，所述步骤1中所述运动控制仿真模型包括船舶非线性运动模型和舵机模型；

步骤11：所述船舶非线性运动模型的建立过程如下：

所述船舶非线性运动模型为船舶的非线性方程，其中船舶水下状态运动方程包括轴向力方程、侧向力方程、横摇力矩方程、偏航力矩方程和辅助方程，分别表示为：

轴向力方程：

侧向力方程：

横摇力矩方程：

偏航力矩方程：

辅助方程：

其中m为船舶质量；I_x、I_z分别为船舶绕x轴、z轴旋转的转动惯量；u、v、p、r分别为船舶艇体坐标系下的纵向速度、横向速度、横倾角速度、偏航角速度；φ、ξ、η分别为固定坐标系下的横倾、艏向、纵向位移、横向位移；δ_r为方向舵舵角；其它参数为国际水池会议的标准水动力导数；

步骤12：所述舵机模型的建立过程如下：

船舶舵机伺服系统具有死区和饱和非线性特性，舵机输入与输出的函数关系表达如下：

其中δ_d为舵机指令输入角度，δ为舵机实际输出角度，σ＝δ_d-δ；σ₁、σ₂分别为最大舵机速度、响应死区上限、饱和区下限。