[发明专利]船舶航向跟踪自适应控制方法

权利要求书

1.船舶航向跟踪自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据航向设定值ψ_s，使用饱和微分跟踪器计算船舶期望航向ψ_d和期望转向角速度

步骤2：根据船舶当前航向ψ和艏摇角速度r计算微分跟踪系统状态；

步骤3：根据船舶当前控制模式以及系统状态选择是否切换STC-LQG控制器或STD-MRAC控制器；

步骤4：根据当前控制模式，使用STC-LQG控制器或STD-MRAC控制器计算舵令并更新算法或模型参数；

步骤5：循环步骤1到步骤4实现船舶航向保持和恒定角速度转向。

2.根据权利要求1所述的船舶航向跟踪自适应控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：当输入信号的二阶导数在TD限幅值以内时，TD可以快速跟踪输入信号，并估计出跟踪信号的一阶导数值；微分跟踪器具有以下形式：

式中，u(k)为输入信号，m₁(k)为跟踪信号输出，m₂(k)为跟踪信号的微分输出，h为滤波因子，r为速度因子，T为跟踪步长，fst函数计算跟踪信号二阶导数：

δ＝rh

δ₀＝δh

y＝x₀-u+hm₂

根据船舶恒定角速度转向的需求，对微分信号m₂(k)添加饱和限幅，可得饱和微分跟踪器：

其中，sat为饱和限幅函数，v_m为微分信号m₂(k)的限幅值。将STD应用到船舶航向控制中有u＝ψ_s，m₁＝ψ_d，v_m为船舶期望转向角速度设定值。

3.根据权利要求1所述的船舶航向跟踪自适应控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：船舶操纵运动模型可以采用一阶线性Nomoto模型：

其中，r为船体艏摇角速度，为艏摇角加速度，ψ为船舶艏向角，δ为舵角，K、T为船舶回转能力和回转惯性参数，受到船舶载荷条件和航行速度的影响，选取系统状态为x₁＝ψ-ψ_d，x＝(x₁ x₂)^T考虑到航向保持和恒定角速度转向的需求，设则原系统状态空间方程为：

4.根据权利要求1所述的船舶航向跟踪自适应控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：若航向设定发生改变，则切换到STD-MRAC控制模式；若航向设定未发生改变，当前控制模式为STC-LQG控制，则不切换模式，当前控制模式为STD-MRAC控制模式，则检查x₁,x₂绝对值是否足够小，是则切换到STC-LQG控制，否则继续保持STD-MRAC控制。

5.根据权利要求1所述的船舶航向跟踪自适应控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

(1)若当前控制模式为STD-MRAC控制模式，则根据以下控制律计算舵角令：

通过STD-MRAC控制模式的参数自适应律更新控制律参数：

(2)若当前控制模式为STC-LQG控制

a.使用满秩分解最小二乘法估计时变船舶航向模型参数,将船舶状态与输入参数化：

满秩分解最小二乘法参数估计包括总迭代和主成分迭代两个组成部分，总迭代式为：

主成分迭代式为：

总迭代和主成分迭代两个组成部分关系为：

其中，V_k1为满秩分解矩阵，可通过以下方式求取，设第k次测量数据{h_k,z_k}对应的变换阵为V_k＝[V_k1 V_k2]

其中，h_ki为数据向量h_k的第i个分量，h_s为死区阈值；

b.使用状态扩张卡尔曼滤波器估计船舶航向模型状态，对状态空间模型形式的卡尔曼滤波器状态预测：

其中，h为采样周期，w_r和v_r为干扰和测量噪声

状态预测方程为：

x_k+1|k＝φ_kx_k|k+B_ku_k+w_k

状态扩张卡尔曼滤波器的计算步骤为：

其中：P为状态估计误差方差阵，Q为模型误差方差阵，R为测量噪声方差阵。

c.根据控制律计算舵角令：