船舶自动舵自适应控制方法

摘要

本发明公开了一种船舶自动舵自适应控制方法，涉及船舶自动控制技术领域。该方法首先进行海浪模型辨识，并更新控制器管道上限和下限，进而计算控制量；进一步判定如果是静水域且模型验证不通过，则进行船舶模型辨识，并更新控制器，进入下一时刻控制。本发明实现无需人员参与、整定自动完成的自动舵自整定功能，并以自动辨识海况等级，实现海浪干扰下的航向自适应控制，提高船舶航向的控制性能。

主权项

1.船舶自动舵自适应控制方法，具体为：（1）测量船舶在当前时刻k的航向ψ(k)；（2）构建船舶模型A(z^-1)ψ(k)=B(z^-1)δ(k-1)+C(z^-1)e(k)，z^-1为单位滞后时间因子，A(z^-1)和B(z^-1)为已知的多项式系数，δ(k-1)为时刻k-1的控制量，-20<e(k)<20，求解船舶模型得到多项式系数C(z^-1)；（3）将多项式系数C(z^-1)代入船舶模型A(z^-1)ψ(n)=B(z^-1)δ(n-1)+C(z^-1)e(n),n=k-n₀,…,k，50≤n₀≤200，求解不相关随机序列e(n)，计算协方差进而结合预先建立的协方差与海浪等级的映射关系标定当前时刻k的海浪等级，依据当前时刻k的海浪等级确定航向管道上限和下限ψ；（4）求解控制器$\left\{\begin{array}{c}\underset{\Delta \underrightarrow{u}}{\min }J=\Delta \underrightarrow{\delta }\mathrm{S\Delta }{\underrightarrow{\delta }}^T+{2f}^T\Delta \underrightarrow{\delta }\\ \mathrm{C\Delta }\underrightarrow{\delta }-d_k\le 0\end{array}\right.$的输出控制量δ(k)，其中$C=\left[\begin{array}{c}I\\ -I\\ C_{I/\Delta }\\ -C_{I/\Delta }\\ H\\ -H\end{array}\right],d_k=\left[\begin{array}{c}\Delta \bar{\delta }\\ -\Delta \underset{‾}{\delta }\\ \bar{\delta }-{\mathrm{L\delta }}_{k-1}\\ -\underset{‾}{\delta }+{\mathrm{L\delta }}_{k-1}\\ \bar{\psi }-\mathrm{P\Delta }\underleftarrow{\delta }-Q\underleftarrow{\psi }\\ -\underset{‾}{\psi }+\mathrm{P\Delta }\underset{‾}{\delta }+Q\underleftarrow{\psi }\end{array}\right],$H=C_D^-1C_B,P=C_D^-1H_B,Q=-C_D^-1H_D，D(z^-1)=ΔA(z^-1)，C_B，H_B为多项式系数B(z^-1)的Toeplitz和Hankel矩阵，C_D，H_D为多项式系数D(z^-1)的Toeplitz和Hankel矩阵，C_I/Δ为多项式I/Δ的Toeplitz矩阵，Δ=1-z^-1，Δδ分别为舵机增量舵角物理上限和下限，δ分别为舵机舵角幅值的物理上限和下限，$f=-H^T{W}_{\psi }({\underrightarrow{\psi }}^{*}-\mathrm{P\Delta }\underleftarrow{\delta }-Q\underleftarrow{\psi }),S=H^T{W}_{\psi }H+W_{\delta },L=\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ .\\ .\\ .\\ 1\end{array}\right]$为上一时刻k-1起往前计数的一段连续历史时刻的舵角值集，为当前时刻k起往前计数的段连续历史时刻的航向值集，与中的元素个数相等，为求解的当前时刻k往后计数的未来一段时刻的舵角值集，为当前时刻k往后计数的未来一段时刻的航向预测值集，为与中的未来时刻一一对应的航向给定值集，航向对角加权矩阵W_ψ为单位矩阵，W_δ为航向对角加权矩阵，其对角线上的值取0.1～0.5，I为单位对角矩阵，上标T为转置；（5）若当前的海浪等级为零且协方差大于预定误差阈值，则进入步骤（6），否则，进入下一时刻控制；（6）将多项式系数C(z^-1)代入船舶模型A(z^-1)ψ(k)=B(z^-1)δ(k-1)+C(z^-1)e(k)，求解多项式系数A(z^-1)和B(z^-1)，进而更新控制器，进入下一时刻控制;所述步骤（2）按照如下方式求解船舶模型得到多项式系数C(z^-1)：i.计算ξ(k)=A(z^-1)ψ(k)-B(z^-1)δ(k-1)-(C₁z^-1+C₂z^-2+C₃z^-3+C₄z^-4)e(k)更新构造其中μ为遗忘因子；ii.对∑进行奇值分解${\bar{U}}_k\left[\begin{array}{c}{\bar{D}}_k\\ 0\end{array}\right]{\bar{V}}_k^T=\mathrm{svd}\left(\Sigma \right)$确定矩阵svd()为奇异值分解函数；iii.更新$U_k=U_{k-1}{\bar{V}}_k^T,D_k={{\bar{D}}_k}^{-1};$iv.定义的表征形式为更新v.依据计算多项式系数C(z^-1)=1+C₁z^-1+C₂z^-2+C₃z^-3+C₄z^-4;所述步骤（6）按照如下方式求解船舶模型得到多项式系数A(z^-1)和B(z^-1)：1)更新构造其中μ为遗忘因子；2)对∑进行奇值分解${\bar{U}}_k\left[\begin{array}{c}{\bar{D}}_k\\ 0\end{array}\right]{\bar{V}}_k^T=\mathrm{svd}\left(\Sigma \right)$确定矩阵svd()为奇异值分解函数；3)更新4)定义的表征形式为更新5)依据计算多项式系数A(z^-1)=1+a₁z^-1+a₂z^-2和B(z^-1)=(b₀+b₁z^-1)z^-1。