[发明专利]基于MPC的船舶横摇运动控制方法

权利要求书

1.基于MPC的船舶横摇运动控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)波浪记忆效应的延时性处理方法

船舶单自由度横摇运动方程表示为：

式中：φ为船舶横摇角；B(ω)为阻尼系数；K为回复力系数；I_xx为横摇惯性矩；J_xx(ω)为随时间变化的横摇附加惯性矩；M_wave(ω)为波浪激励力矩，将频域横摇运动方程转换至时域，并添加横摇运动控制力矩，则公式(2)可以写成：

式中：M_e(t)是施加的外部控制力；h是表征了自由面记忆效应的延迟函数，可以通过附加质量J_xx(ω)或势流阻尼B(ω)由公式(3)积分计算得到，其中，J_xx(ω)和B(ω)根据频域内的横摇附加质量曲线或横摇阻尼曲线采用最小二乘法由系统识别得到；

2)基于MPC的船体运动控制方法

定义状态向量通过状态空间表征，将船体运动方程(2)表示为状态空间方程，如公式(4)所示：

式中：u^T是常微分方程(5)的状态向量，是时域常微分方程(5)经过拉普拉斯变换得到的频域代数方程的系统矩阵、状态矩阵和输出矩阵，如公式(6)所示，对应的维度分别是n×n，n×1，1×n，将此系数矩阵代入公式(4)所示的一阶微分方程，基于识别后的参数进行系统控制，状态空间方程如公式(4)所示，求解采用四阶Runge-Kutta方法进行，其中，K,J_xx水动力系数根据所建立的水动力模型由现有水动力软件AQWA计算得到；状态向量数量n_x＝6，输入变量波浪力M_wave数量n_u＝1，输出变量控制力M_e数量n_y＝1，控制过程中选用的损失函数即为控制的目标函数，使船舶横摇运动中的横摇角最小，如公式(7)所示：