[发明专利]一种船舶航向控制方法及系统

权利要求书

1.一种船舶航向控制方法，其特征在于，所述方法包括：

将船舶航向控制的一阶野本模型转化为状态空间模型；

通过所述状态空间模型得到船舶的航向误差，并对所述航向误差进行函数变换，得到变换后的函数，使所述航向误差收敛在预设的界限范围内，包括：

确定所述航向误差： (4)；

对所述航向误差进行函数变换得到所述变换后的函数：

(5)；

(6)；

(7)；

(8)；

其中，为航向误差，为航向角，为期望航向角，航向误差函数变换后的变量，为设计上界，为设计下界，为航向误差经转换函数变换的变量，为引入的转换函数，为转换函数的初始值，为转换函数的最终值，为正常数，为每次转向的时间；

通过所述变换后的函数设计滤波变量，包括：

将式（5）对求导得： (9)

(10)

(11)

定义滤波变量： (12)

(13)

对所述滤波变量求导： (14)

(15)

(16)

根据数学放缩关系得到不等式： (17)

(18)

(19)

根据式(17)得到所述滤波变量的滤波范围：

(20)

(21)

(22)

其中，为简化的中间变量，为简化的中间变量，为滤波变量，为滤波变量中的权重，为船舶模型参数，为船舶模型参数，为船舶的舵角值，为中间变量，为通过和得到的核心函数，为转向率，为扰动变量，为扰动变量的最大值，为扰动值和1之间的最大值，为放缩后的函数，为控制率中自适应部分所占的比重，为的平方；

通过所述滤波变量设计李雅普诺夫函数；

根据所述李雅普诺夫函数得到航向控制的控制律和自适应律；

通过所述控制律和控制周期对船舶航向进行控制，所述控制周期根据所述一阶野本模型得到。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将船舶航向控制的一阶野本模型转化为状态空间模型，包括：

确定所述一阶野本模型： (1)；

结合船舶的航向和转向率得到所述状态空间模型：

(2)；

(3)；

其中，为船舶模型参数，为船舶模型参数，为转向率，为船舶的舵角值，为外界干扰量，为转向率的导数，为航向角的导数，为扰动变量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述滤波变量设计李雅普诺夫函数，包括：

根据所述滤波变量的滤波范围，结合航向控制器稳定运行所需满足的条件，设计李雅普诺夫函数： (23)

(24)

其中，为李雅普诺夫函数，为与其估计值的差值，为的估计值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述李雅普诺夫函数得到航向控制的控制律和自适应律，包括：

对式(23)求导： (25)

将式(14)代入式(25)中得到： (26)

根据航向控制稳定性的要求，所述李雅普诺夫函数满足条件：

(27)

(28)

(29)

通过式(28)和式(29)对式(27)进行放缩，得到所述控制律和所述自适应律：

(30)

(31)

(32)

(33)

其中，为中间变量，为李雅普诺夫函数放缩后的整合变量，为控制律中权重的设计参数，为自适应律中影响收敛快慢的设计参数，为控制律，为自适应律。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制周期根据所述一阶野本模型得到，包括：

通过所述一阶野本模型确定船舶的船长和船速；

根据所述船长和所述船速确定所述船舶航向的控制周期。