[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

说明书

本发明公开了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，包括如下步骤：建立船舶低噪声运动控制仿真模型；根据船舶运动控制仿真模型设计船舶的航向模型预测控制器并为模型预测控制器建立控制目标函数；针对控制目标函数与船舶实际运行需求确定方向舵舵角、舵速等硬约束条件，并对硬约束条件进行处理；针对控制目标函数适当放宽航向偏差形成软约束条件，并对软约束条件进行处理；根据控制目标函数、硬约束条件和软约束条件，在线寻优获得最优控制器输出。本发明有效地改善了船舶在机动过程中因频繁操舵引起的舵装置噪声问题，确保了船舶的平稳低噪航行。

技术领域

本发明涉及船舶运动控制技术领域，更具体的说是涉及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。

背景技术

对于船舶操控系统，舵角和舵速是表征舵机运行状态的重要参数，最大舵角与最大舵速制约着船舶的机动能力、稳定性和控制品质；为达到船舶操纵要求，机动过程中的转艏速度等又决定了舵角和舵速，并与水动力噪声直接相关。在低噪声工况下，通常采取低频人工操舵，即通过放宽航行时的航向，采用较小的舵角，以尽可能低的频率进行操舵；但在低噪声工况下，由于船舶的航速低、舵效差，船员随动操纵时难以对船舶的运动状态变化进行长时间且有效的预测。

因此，如何实现实时控制船舶低噪声航行工况下的机动过程是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了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，能够对船舶运动状态变化进行有效预测，并输出控制，实现实时控制船舶低噪声航行工况下的机动过程。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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，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；所述允许航向偏差条件为允许航向控制指令在目标航向上存在±2°的偏差；

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。

优选的，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；

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主要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；

所述舵机模型的建立过程如下：