[发明专利]船舶航向跟踪自适应控制方法

说明书

本发明公开了船舶航向跟踪自适应控制方法，将微分跟踪器与模型参考自适应控制结合，设计了微分跟踪模型参考自适应控制方法，使船舶可以以恒定角速度转向，以李雅普诺夫函数保证航向和角速度信号跟踪的收敛性；同时考虑到船舶在航向保持过程中要求较高航向控制精度的同时降低操舵能耗，设计高斯自适应线性二次型最优控制器，可以在较低的操舵能耗下达到更高的航向控制精度。使用船舶半实物仿真平台的多种海况和船型，对分别嵌入两种控制算法的自适应舵软件进行了控制性能对比测试，验证了两种控制器的稳定性。性能指标结果表明，微分跟踪模型参考自适应控制器具有更好的转向控制性能，自适应线性二次型高斯最优控制器具有更好的航向保持性能。

技术领域

本发明属于自适应舵船舶航向控制领域，具体涉及船舶航向跟踪自适应控制方法。

背景技术

船舶作为海上主要的载运工具，在开发和利用海洋资源的过程中起着非常重要的作用。船舶航向自适应控制是船舶运动控制领域中非常基础的研究问题。

船舶自动舵最早起源于1890年Hopkins电动陀螺仪的研究成果。1911年ElmerSperry 首次提出了使用反馈控制和自动增益调整船舶转向机构，随后Nicholas Minorsky设计了一个位置反馈控制器，采用三项控制律，被称之为比例积分微分(PID)控制。PID控制器具有设计简单，鲁棒性强的优点，但航向控制精度与操舵能耗难以满足当前自动舵的需求，且算法对船舶航速、装载与海况的适应能力较差，需要重复调参。

发明内容

本发明的目的在于解决航向控制精度与操舵能耗的船舶航向跟踪自适应控制方法。

船舶航向跟踪自适应控制方法，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。

进一步地，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uψ_s，m₁ψ_d，v_m为船舶期望转向角速度设定值；