申请/专利权人：武汉理工大学

申请日：2022-05-26

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN114995133B

主分类号：G05B13/04

分类号：G05B13/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2022.09.20#实质审查的生效;2022.09.02#公开

摘要：本发明公开了一种基于混杂逻辑动态模型的船舶纵向列队混杂预测控制方法，分析所有船舶在航行过程中船舶纵向合力与航速之间的关系，建立无人船纵向动力模型，得到船舶速度与螺旋桨转速之间的关系模型；建立螺旋桨转速控制模型，得到螺旋桨转速与柴油机启动装置、制动装置以及油门之间的关系模型；根据变时距策略建立跟随距离模型，得到跟随误差与柴油机启动装置、制动装置以及油门之间的连续离散关系模型，并转换为混杂逻辑动态模型；采用分布式列队策略，以混杂逻辑动态模型作为预测模型，设计MPC控制器，以实现船舶纵向列队控制。本发明利用基于MLD模型的混杂预测控制实现船舶列队运动，提升船队在狭窄水域自主航行的安全性以及高效性。

主权项：1.一种基于混杂逻辑动态模型的船舶纵向列队混杂预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、分析所有船舶在航行过程中船舶纵向合力与航速之间的关系，建立无人船纵向动力模型，得到船舶速度与螺旋桨转速之间的关系模型；无人船纵向动力模型具体为： k1＝k4-k5-k6k2＝f1ρ1-wD3mk3＝h1ρD4mfVs＝k7Vs5+k8Vs4+k9Vs3+k10Vs2lgVs+k132.58+k11Vs+k12k4＝e1ρ1-w2D2mk5＝0.0011+CapρSs52.5KsLpp-0.32mk6＝0.5CaρaAtm k8＝3.33×10-31+CapρSsbmLwl k10＝37.51+CapρSsdmk11＝CaρaAtVwindmk12＝0.5CaρaAtVwind2mk13＝lgLw1v-2式中，是船舶加速度，τd是浪阻和不确定干扰，Vs是船舶速度，Cap是附体阻力系数，由船型决定，Ks表示50mm长度内的平均波动幅度，Lpp是船舶垂线间长，Lwl为船舶的水线长度，Cf为摩擦阻力系数，ρ为海水密度，Ss为船是表面积，Ca为空气阻力系数，ρa为空气密度，Vwind为风速，At为船舶中横剖面投影面积，m为船舶质量，v为海水的运动粘度，n为螺旋桨转速，w为伴流系数，D为螺旋桨直径，a、b、c、d是由船体的瘦长程度决定的参数，e1、e2、f1、f2、h1、h2是与螺旋桨有关的固定参数；k1-k13为动力模型中的简化参数，k1-k3、k7-k13均使用最小二乘法进行参数辨识得到，k4-k6作用效果合并为了k1，无需单独获取；S2、分析船舶航行中，螺旋桨转速控制的过程，建立螺旋桨转速控制模型，得到螺旋桨转速与柴油机启动装置、制动装置以及油门之间的关系模型；螺旋桨转速控制模型具体为： kn＝15ZVdFRpmaxπ2IE-IP J＝Vs1-wnD式中，kn为便于表达引入的中间变量，无实际意义，ρ为海水密度，n为螺旋桨转速，为n的一阶导数，D为螺旋桨直径，J为螺旋桨进速系数，IE为主机惯性转矩，IP为螺旋桨惯性转矩，Z为柴油机气缸数，Vd为气缸容积，FR为油门开度，Fs为油门开度指令，τ为时间常数，pmax为平均最大指示压力，n0为柴油机启动转速，τ0为柴油机启动耗时，qi表示与螺旋桨螺距比有关的系数值，nl为螺旋桨转动模式指令，Vs是船舶速度，w为伴流系数；S3、根据变时距策略建立跟随距离模型，并联合S1和S2得到跟随误差与柴油机启动装置、制动装置以及油门之间的连续离散关系模型，并转换为混杂逻辑动态模型，其中，跟随误差为连续状态量，柴油机启动停止、制动装置启动停止为离散控制量，油门开度为连续控制量；所述的混杂逻辑动态模型具体为： 模型约束为：E2δt+E3Zt≤E1ut+E4xt+E5式中，xt＝[edt，Vrt，det，drt，Vst，Vtt，nt，FRt，Smt]T，t表示时刻，ed为船舶跟随时的误差距离，de为前后船的期望船间距，dr为前后船的实际船间距，Vr为前后船速度差，Vs是后船速度，Vt是前船速度，n为螺旋桨转速，FR为油门开度，Fs为油门开度指令，Sm为船舶运动模式，Sm为0时船舶正常航行，Sm为1时船舶快速制动，除了Smt为离散状态量，其余的全部为连续状态量；ut＝[FSt，nlt]T，Sm为离散输入，Fs为连续输入；yt＝[edt，Vrt，Smt]T，y包含连续输出和离散输出，δ为辅助二进制变量，Z为连续辅助变量，A、B1、B2、B3为状态矩阵，C、D1、D2、D3为观测矩阵，E1、E2、E3、E4、E5为约束矩阵，rl、rc为辅助变量维度；S4、采用分布式列队策略，将列队控制看作每艘船舶之间的跟随控制，以混杂逻辑动态模型作为预测模型，设计MPC控制器，以实现船舶纵向列队控制；MPC控制具体为二次型优化性能指标的求解： s.t. E2δt+E3Zt≤E1ut+E4xt+E5式中，N为预测步长，NC为控制步长，i为步数，Q为输出权重矩阵，R为输入权重矩阵，P2＝[001]，P3＝[010]。

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百度查询： 武汉理工大学 基于混杂逻辑动态模型的船舶纵向列队混杂预测控制方法

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