[发明专利]一种船舶航向控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种船舶航向控制方法，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；通过状态空间模型得到船舶的航向误差，并对航向误差进行函数变换，得到变换后的函数，使航向误差收敛在预设的界限范围内；通过变换后的函数设计滤波变量；通过滤波变量设计李雅普诺夫函数；根据李雅普诺夫函数得到航向控制的控制律和自适应律；通过控制律和控制周期对船舶航向进行控制，控制周期根据一阶野本模型得到。本发明还公开了一种船舶航向控制系统，本发明的有益效果为：能够自动估计外界干扰，控制参数随着外界环境变化进行自动调整；同时能够保证误差的暂态收敛性能，将船舶的控制周期根据船型自动匹配以降低打舵频次。

技术领域

本发明涉及航海控制技术领域，具体而言，涉及一种船舶航向控制方法及系统。

背景技术

现有的船舶航向控制方法有的需要基于模型辨识得以实现，有的需要大量且复杂的计算得以实现。现有的航向控制方法无法保证航向误差的暂态收敛性能且没有考虑打舵频次的降低，控制周期较短。

发明内容

为解决现有航向控制方法计算量大且不能降低打舵频次的问题，本发明的目的在于提供一种船舶航向控制方法及系统。

本发明提供了一种船舶航向控制方法，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；

通过所述变换后的函数设计滤波变量；

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。

作为本发明进一步的改进，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：；

结合船舶的航向和转向率得到所述状态空间模型：

；

；

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。

作为本发明进一步的改进，所述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：；

对所述航向误差进行函数变换得到所述变换后的函数：

；

；

；

；

其中，为航向误差，为航向角，为期望航向角，为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。

作为本发明进一步的改进，所述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：；

；

；

定义滤波变量：

对所述滤波变量求导：