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龙图腾网获悉上海中船船舶设计技术国家工程研究中心有限公司申请的专利一种气垫船艏向最优控制方法及系统获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN120523053B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-09-19发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202511028407.X，技术领域涉及：G05B13/04；该发明授权一种气垫船艏向最优控制方法及系统是由王传锐;刘振冲;严传续;霍逸群;曹峰;郁强设计研发完成，并于2025-07-25向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种气垫船艏向最优控制方法及系统在说明书摘要公布了：本发明公开了一种气垫船艏向最优控制方法及系统，涉及气垫船运动控制领域。该方法针对气垫船艏向控制系统的模型误差，设计了一种有限时间观测器，可在有限时间内实现模型误差的估计，在最优控制器设计时对模型误差进行补偿来抵消建模误差产生的影响，提高了气垫船艏向控制的抗扰性；结合反步控制法和最优控制方法，设计了最优控制器，使得气垫船能够以最小的能耗达到艏向跟踪控制的目标。

本发明授权一种气垫船艏向最优控制方法及系统在权利要求书中公布了：1.一种气垫船艏向最优控制方法，其特征在于，所述方法包括： 步骤1：基于气垫船艏向控制系统模型设计有限时间观测器，所述有限时间观测器用于对该模型进行误差估计； 步骤2：将气垫船艏向控制系统模型转化为最优气垫船艏向控制系统模型； 步骤3：利用反步控制法设计艏向状态的虚拟控制器及其李雅普诺夫函数； 步骤4：基于所述艏向状态的虚拟控制器及其李雅普诺夫函数，设计最优控制器及性能指标； 所述步骤1中的气垫船艏向控制系统模型表示为： 其中，表示艏向角，表示艏向角的一阶导数，表示回转率，表示回转率的一阶导数，表示船体绕轴的转动惯量，表示空气动力矩，表示水动力矩，表示空气动量力矩，表示空气螺旋桨力矩，表示空气舵产生的回转力矩，为气垫船艏向控制系统模型的控制输入； 其中，所述、、、表示如下： 其中，为空气密度，为无因次的空气动力系数，为气垫船在水面上的侧投影面积，为船的长度，表示相对风速； 为无因次的水动力系数，为气垫船的合速度，为气垫船的气垫长度，、为气垫船水动力系数，为气垫船的横向速度，为横向速度的一阶导数； 为气垫船单位时间内风扇入口的空气流量，表示相对风向，为风扇入口中心的横坐标； 表示气垫船空气螺旋桨的数量，为第个空气螺旋桨产生的推力，表示第个空气螺旋桨在船体坐标系中的位置； 对于上述参数、、，具体表示为： 式中，表示气垫船的纵向速度，分别表示风速、风向； 为空气螺旋桨桨叶0.75半径处螺距角度；为相对风速在空气螺旋桨轴向的分量；为空气螺旋桨转速，为空气螺旋桨推力函数； 基于所述气垫船艏向控制系统模型存在的建模不确定性，将所述气垫船艏向控制系统模型表示为： 式中，表示模型误差，针对该模型误差，设计有限时间观测器，所述有限时间观测器表示为： 其中，为正值常数，表示r的预测值，表示的一阶导数；表示的预测值，表示的一阶导数，根据非线性系统有限时间稳定性理论，在有限时间内跟踪，且对于任意的，；此时，气垫船艏向控制系统模型表示为： ； 所述步骤2将气垫船艏向控制系统模型转化为最优气垫船艏向控制系统模型，具体包括： 根据用户指令获取气垫船的目标艏向为，则艏向控制误差，根据气垫船艏向控制系统模型，的动态模型为： 其中，表示的一阶导数； 基于气垫船艏向控制系统模型中的艏向控制误差和回转率，进行控制器设计，定义新的控制变量如下： 则气垫船艏向控制系统模型转化为： ； 所述步骤3利用反步控制法设计艏向状态的虚拟控制器及其李雅普诺夫函数，具体包括： 利用反步控制法设计虚拟控制器，所述虚拟控制器设计过程中的一个中间变量，其中控制增益为任意正值常数，设计李雅普诺夫函数为： 定义所述虚拟控制器设计过程中的中间状态变量，则的导数满足： ； 所述步骤4基于艏向状态的虚拟控制器及其李雅普诺夫函数，设计最优控制器及最优性能指标，具体包括： 基于艏向状态的所述虚拟控制器及其李雅普诺夫函数，设计整个气垫船艏向控制系统的李雅普诺夫函数表示如下： 根据的定义，其动态模型的导数为： 根据最优控制原理，设计镇定控制器，所述镇定控制器为如下形式： 其中，为正值函数；设计控制器如下： 其中，控制增益为任意正值常数； 是正值函数，此时，的导数满足： 根据李雅普诺夫定理，气垫船艏向控制系统渐进稳定表示艏向跟踪误差渐进趋于0； 根据上述设计，最优控制器表示如下： ； 所述最优性能指标如下： 其中为任意大于等于2的常数， 由于是负定函数，因此性能指标是有意义的，其表示以最小的控制能量消耗达到艏向的渐进跟踪控制。

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