技术特征：
1.一种船舶轨迹跟踪系统控制器，其特征在于：包括依次连接的状态估计模块、参数估计模块、系统修正模块、控制增益计算模块和控制输出计算模块；状态估计模块与信号接收器a连接，用于接收信号接收器a发送的船舶轨迹跟踪系统状态信息，基于该信息计算船舶轨迹跟踪系统状态估计值；参数估计模块基于船舶轨迹跟踪系统状态估计值，对系统不确定参数进行估计，得到系统参数估计值；系统修正模块基于系统参数估计值，对系统进行修正，得到更新的系统状态和系统状态方程；控制增益计算模块基于更新的系统状态和系统状态方程，在满足控制性能指标要求的条件下，计算控制增益；控制输出计算模块基于计算得到的控制增益和系统状态估计值，计算控制输出，并通过无线通信网络发送给执行器，实现对船舶的有效控制。2.根据权利要求1所述的船舶轨迹跟踪系统控制器，其特征在于：所述状态估计模块包括：子状态排序模块、子状态预算模块、子状态估计模块、系统状态计算模块和系统状态输出模块；子状态排序模块用于对从信号接收器接收到的船舶轨迹跟踪系统子状态进行存储，并按照先后顺序进行排序；在k时刻第i个船舶轨迹跟踪系统子状态为k时刻第i个船舶的位置信息g
ik
，g
ik
＝[x
ik y
ik z
ik
]
t
，其中，x
ik
表示第i个船舶在k时刻的经度值，单位为度；y
ik
表示第i个船舶在k时刻的维度值，单位为度；z
ik
表示第i个船舶在k时刻的海拔高度值，单位为米；状态估计模块从信号接收器a得到某特定区域内n个船舶的位置信息为g
k
＝[g
1k g
2k
...g
nk
]
t
；子状态预算模块用于计算得到各个船舶轨迹跟踪系统子状态预测值状态估计模块基于船舶轨迹跟踪系统状态方程和船舶轨迹跟踪系统控制输出，对k时刻n个船舶的位置信息g
k
进行预测计算，得到k时刻n个船舶的位置信息预测值计算方法如下所示：基于计算得到的从而得到各个船舶轨迹跟踪系统子状态预测值提供给子状态估计模块使用；所述船舶轨迹跟踪系统状态方程从系统修正模块获得，船舶轨迹跟踪系统控制输出从控制输出计算模块获得，所述船舶轨迹跟踪系统状态方程如下所示：g
k
＝a
k-1
g
k-1
+bu
k-1
+fw
k-1
其中，u
k-1
表示在k-1时刻控制输出计算模块产生的船舶轨迹跟踪系统控制输出；w
k-1
表示在k-1时刻船舶轨迹跟踪系统的噪声和干扰；a
k-1
、b、f是适当维数的矩阵；子状态估计模块用于计算第i个船舶轨迹跟踪系统子状态估计值通过如下公式计算：
其中，ρ＝1表示数据包传输发生时间延迟和乱序；ρ＝0表示数据包传输没有发生时间延迟和乱序；系统状态计算模块用于根据计算得到的船舶轨迹跟踪系统子状态估计值进一步计算得到船舶迹跟踪系统状态估计值如下式所示：系统状态输出模块用于将计算得到的船舶轨迹跟踪系统状态估计值输出给参数估计模块。3.根据权利要求2所述的船舶轨迹跟踪系统控制器，其特征在于：所述参数估计模块基于得到的船舶轨迹跟踪系统状态估计值对系统矩阵a
k
进行估计；令v
1k
、v
2k
、...、v
mk
表示m个随时间变化较缓慢的不确定参数，表示m个不确定参数相应的估计值，m≤n；系统矩阵a
k
表示为：其中，s1、s2、...、s
m
x与相应的矩阵；a是当v
1k
、v
2k
、...、v
mk
都为零时的系统矩阵；系统矩阵a
k
还能通过下式计算：结合上述两个系统矩阵a
k
的公式，则得到如下方程：通过求解上面的方程，计算得到发送给系统修正模块。4.根据权利要求3所述的船舶轨迹跟踪系统控制器，其特征在于：所述系统修正模块从参数估计模块获得后，根据下面公式计算系统矩阵a
k
：然后，根据下面公式计算船舶轨迹跟踪系统状态方程：其中，表示船舶轨迹跟踪系统中的噪声干扰估计值；系统修正模块将计算船舶轨迹跟踪系统状态方程和系统状态估计值发送给控制增益计算模块。5.根据权利要求4所述的船舶轨迹跟踪系统控制器，其特征在于：所述控制增益计算模块收到系统修正模块发送的船舶轨迹跟踪系统状态方程和系统状态估计值后，更新系统状态，同时更新系统状态方程，并基于船舶轨迹跟踪系统状态方程计算控制增益l
k
；船舶轨迹跟踪系统采用状态反馈控制，控制输出u
k
为：
首先，进行控制性能指标设定，令j
k
表示在k时刻船舶轨迹跟踪系统控制性能指标，用下面公式计算：其中，q和p是对称正定矩阵，e(x)表示对变量x求均值；在船舶轨迹跟踪系统控制过程中，需要尽可能使得控制性能指标j
k
最小，并小于给定的上界；因此，需要计算求解下面的最小化问题：其中，m
u
是系统控制性能指标j
k
必须要满足的上界；通过求解上面的最小化问题，计算得到控制增益l
k
，如下式所示：l
k
＝-(b
t
hb+p)-1
b
t
ha
k
其中，h是一个矩阵，满足下面的方程：控制增益计算模块将计算得到的控制增益l
k
以及系统状态估计值传送给控制输出计算模块；所述控制输出计算模块收到控制增益l
k
以及系统状态估计值后，计算控制输出值u
k
：控制输出u
k
经过信号发射器a，发送给信号接收器1～n，再传输给执行器1～n；最后经过执行器1～n实现对船舶1～n的控制。6.一种船舶轨迹跟踪系统控制方法，采用权利要求1所述的船舶轨迹跟踪系统控制器实现，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：基于接收到的船舶轨迹跟踪系统状态信息，得到船舶轨迹跟踪系统状态估计值；步骤2：基于船舶轨迹跟踪系统状态估计值，对系统不确定参数进行估计，得到系统参数估计值；步骤3：基于系统参数估计值，对系统进行修正，得到更新的系统状态和系统状态方程；步骤4：基于更新的系统状态和系统状态方程，在满足控制性能指标要求的条件下，计算控制增益；步骤5：基于计算得到的控制增益和系统状态估计值，计算控制输出，并通过无线通信网络发送给执行器，实现对船舶的有效控制。7.根据权利要求6所述的船舶轨迹跟踪系统控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：步骤1.1：状态估计模块从信号接收器a获得n个船舶的位置信息g
k
＝[g
1k g
2k
…
g
nk
]
t
，其中g
ik
＝[x
ik y
ik z
ik
]
t
表示在k时刻接收到的第i个船舶的位置信息，也被称为在第k时刻第i个船舶轨迹跟踪系统子状态；其中，x
ik
表示第i个船舶在k时刻的经度值，单位为度；y
ik
表示
第i个船舶在k时刻的维度值，单位为度；z
ik
表示第i个船舶在k时刻的海拔高度值，单位为米；对接收到的船舶轨迹跟踪系统子状态进行存储，并按照先后顺序进行排序；步骤1.2：基于船舶轨迹跟踪系统状态方程和船舶轨迹跟踪系统控制输出，对k时刻n个船舶的位置信息g
k
进行预测计算，得到在第k时刻n个船舶的位置信息预测值计算方法如下所示：基于计算得到的从而得到各个船舶轨迹跟踪系统子状态预测值其中船舶轨迹跟踪系统状态方程，如下所示：g
k
＝a
k-1
g
k-1
+bu
k-1
+fw
k-1
其中，u
k-1
表示在k-1时刻的船舶轨迹跟踪系统控制输出；w
k-1
表示在k-1时刻的船舶轨迹跟踪系统的噪声和干扰；a
k-1
、b、f是适当维数的矩阵；步骤1.3：通过下式计算第i个船舶轨迹跟踪系统子状态估计值步骤1.3：通过下式计算第i个船舶轨迹跟踪系统子状态估计值其中，ρ＝1表示数据包传输发生时间延迟和乱序；ρ＝0表示数据包传输没有发生时间延迟和乱序；步骤1.4：根据计算得到的船舶轨迹跟踪系统子状态估计值进一步计算得到船舶轨迹跟踪系统状态估计值如下式所示：8.根据权利要求7所述的船舶轨迹跟踪系统控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法如下：参数估计模块基于得到的系统状态估计值对系统矩阵a
k
进行估计；令v
1k
、v
2k
、...、v
mk
表示m个随时间变化较缓慢的不确定参数，表示m个不确定参数相应的估计值，m≤n；系统矩阵a
k
表示为：其中，s1、s2、...、s
m
是与相应的矩阵；a是当v
1k
、v
2k
、...、v
mk
都为零时的系统矩阵；系统矩阵a
k
还能通过下式计算：结合上述两个系统矩阵a
k
的公式，则得到如下方程：通过求解上面的方程，计算得到发送给系统修正模块。9.根据权利要求8所述的船舶轨迹跟踪系统控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
系统修正模块从参数估计模块获得后，根据下式计算系统矩阵a
k
：然后，根据下式计算船舶轨迹跟踪系统状态方程：其中，表示船舶轨迹跟踪系统中的噪声干扰估计值。10.根据权利要求9所述的船舶轨迹跟踪系统控制方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：步骤4.1：控制增益计算模块根据系统修正模块发送的船舶轨迹跟踪系统状态方程和系统状态估计值，更新系统状态，同时更新系统状态方程；步骤4.2：进行船舶轨迹跟踪系统控制性能指标设定，令j
k
表示在k时刻船舶轨迹跟踪系统控制性能指标，用下面公式计算：其中，q和p是对称正定矩阵，e(x)表示对变量x求均值；步骤4.3：在船舶轨迹跟踪系统控制过程中，需要尽可能使得控制性能指标j
k
最小，并小于给定的上界；因此，需要计算求解下面的最小化问题：其中，m
u
是系统控制性能指标j
k
必须要满足的上界；步骤4.4：通过求解步骤4.3的最小化问题，计算得到控制增益l
k
，如下式所示：l
k
＝-(b
t
hb+p)-1
b
t
ha
k
其中，h是一个矩阵，满足下面的方程：所述步骤5中，控制输出计算模块根据控制增益l
k
以及系统状态估计值计算控制输出值u
k
：控制输出u
k
经过信号发射器a，发送给信号接收器1～n，再传输给执行器1～n；最后经过执行器1～n实现对船舶1～n的控制。
技术总结
本发明提供一种船舶轨迹跟踪系统控制器及其控制方法，涉及网络化控制技术领域。包括状态估计模块、参数估计模块、系统修正模块、控制增益计算模块和控制输出计算模块。状态估计模块在考虑到接收到的船舶位置信息可能会发生时间延迟和乱序的情况，对船舶轨迹跟踪系统状态进行预测估计，计算得到系统状态估计值，发送给参数估计模块进行系统不确定参数估计，并通过系统修正模块对系统状态和系统状态方程进行修正，然后通过控制增益计算模块计算控制增益值，并通过控制输出计算模块计算控制输出，最后由无线通信网络发送给各个船舶的执行器，实现对特定区域内的船舶有效控制，确保船舶的安全航行，并能有效降低数据包传输时间延迟和乱序等问题。迟和乱序等问题。迟和乱序等问题。
技术研发人员：刘庆泉 金芳 徐至臻 赵静秋 赵亚威
受保护的技术使用者：沈阳理工大学
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/3/31