本發(fā)明專利技術(shù)的目的在于提供一種基于雙重控制H∞設(shè)計的舵鰭聯(lián)合減搖方法，包括：采集橫搖角信號設(shè)定控制參數(shù)初值；以為輸入，計算減搖鰭回路控制輸出u1(t)；以為輸入，確定靈敏度權(quán)函數(shù)及控制靈敏度權(quán)函數(shù)，計算舵減搖回路控制輸出u2(t)；根據(jù)舵鰭聯(lián)合減搖對象模型及合成的舵、鰭控制作用繪制系統(tǒng)的開環(huán)Nyquist特性，然后判斷是否滿足指標(biāo)要求，若不滿足，重新調(diào)整各控制參數(shù)值，直到滿足指標(biāo)要求為止。本發(fā)明專利技術(shù)充分利用了舵和減搖鰭的作用，通過對舵和減搖鰭回路的零相移設(shè)計使二者合成的減搖效果相疊加，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的雙重控制，從而大大增強了船舶的減搖能力。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及的是一種船舶控制方法，具體地說是船舶減搖方法。
技術(shù)介紹
船舶在海上航行時，由于受到風(fēng)浪等環(huán)境干擾的作用，會產(chǎn)生各種搖蕩，這對船舶的安全性、船上的設(shè)備、貨物及船員都會產(chǎn)生不利影響，其中以橫搖影響最為嚴(yán)重。舵鰭聯(lián)合減搖是利用船上現(xiàn)有的舵和操舵系統(tǒng)，與減搖鰭聯(lián)合起來進(jìn)行控制，其中減搖鰭起主要的減搖作用，而自動舵在保持航向的同時，起到輔助的減搖作用，這種舵鰭聯(lián)合控制，能對減搖鰭起到有力的補償作用，可以在保持航向控制精度的前提下大大提高系統(tǒng)的減搖能力，在提高整體減搖效果的同時，還可以減小減搖鰭的動作和噪音，從而使船舶的適航性、安全性以及成員的舒適性得到相應(yīng)的提高。目前，舵鰭聯(lián)合控制的研究一直是船舶減搖領(lǐng) 域研究的熱點內(nèi)容。目前對于舵鰭聯(lián)合減搖系統(tǒng)的控制，國內(nèi)外都有一定的研究，但尚未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用雙重控制進(jìn)行舵鰭聯(lián)合減搖設(shè)計的文獻(xiàn)和專利成果。國外主要文獻(xiàn)有1996年，Sharff等在《Control Eng. Practice》上發(fā)表的文章“Final Experimental Results of Full Scale Fin/Rudder Roll Stabilisation SeaTrials”用經(jīng)典方法設(shè)計了舵/鰭聯(lián)合減搖的PID控制器，但其并沒有考慮艏搖與橫搖之間、減搖鰭回路與舵回路之間的相互作用，而且所給出的PID控制器也不能保證系統(tǒng)在海浪干擾的主要頻帶內(nèi)都能達(dá)到較高的減搖率。1997年,Roberts等在《IEE Proceedings ofControl Theory Applications》上發(fā)表的文章“Robust control methodology appliedto the design of a combined steering/stabilizer system for warships，，應(yīng)用 H 00控制理論設(shè)計了舵鰭聯(lián)合減搖控制器，并與經(jīng)典PID控制器設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了對比，但控制器設(shè)計過程中忽略了回路之間的耦合作用及綜合控制效果的優(yōu)化。1999年，Sgobbo等在《Marine Technology》上發(fā)表的文章“Rudder/Fin Roll Stabilization of the USCGWMEC 901 Class Vessel”利用美海岸警衛(wèi)隊WMEC901級艦現(xiàn)有的舵/鰭傳動機(jī)構(gòu)，采用LQR方法設(shè)計了舵/鰭聯(lián)合減搖的控制器，通過與單獨減搖鰭相對比，指出舵/鰭聯(lián)合控制器能在保持航向控制精度的同時提高減搖效果。該文獻(xiàn)所給出的控制器過于簡單，且在性能權(quán)函數(shù)選擇方面也沒有進(jìn)行一定的優(yōu)化調(diào)節(jié)，減搖效率比較低。2004年，Tanguy等在《Proceedings of the 2004 American Control Conference》上發(fā)表的文章 “Fin RudderRoll Stabilisation of Ships:a Gain Scheduling Control Methodology，，用增益標(biāo)定控制方法設(shè)計了船舶舵/鰭聯(lián)合減搖的閉環(huán)控制系統(tǒng)，但并沒有考慮橫搖控制對航向的影響。國內(nèi)主要文獻(xiàn)有2005年，張冰等在《中國航海》上發(fā)表的文章“船舶舵鰭聯(lián)合減搖模糊變結(jié)構(gòu)控制研究”給出了船舶舵/鰭聯(lián)合減搖控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，并設(shè)計了舵/鰭聯(lián)合減搖的變結(jié)構(gòu)控制器。2002年，于萍等在《系統(tǒng)仿真學(xué)報》上發(fā)表的文章“基于H -設(shè)計法的非線性舵鰭聯(lián)合控制系統(tǒng)仿真研”基于H c 狀態(tài)反饋，進(jìn)行了舵/鰭聯(lián)合控制系統(tǒng)的設(shè)計。2006年，張顯庫等在《交通運輸工程學(xué)報》上發(fā)表的文章“舵鰭聯(lián)合減搖的魯棒控制系統(tǒng)”用MMO閉環(huán)增益成形算法設(shè)計了船舶舵/鰭聯(lián)合減搖的控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)所設(shè)計的控制器大都沒有分析減搖鰭回路與舵減搖回路的不同動態(tài)特性，只能保證控制作用的疊力口，不能保證綜合減搖效果的最優(yōu)化及性能的優(yōu)化，也沒考慮如何最大化的發(fā)揮減搖鰭及舵的作用。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本發(fā) 明的目的在于提供舵和鰭兩個回路的Nyquist曲線在船的自然頻率上都做到零相移的一種基于雙重控制H c 設(shè)計的舵鰭聯(lián)合減搖方法。本專利技術(shù)的目的是這樣實現(xiàn)的本專利技術(shù)一種基于雙重控制H c 設(shè)計的舵鰭聯(lián)合減搖方法，其特征是( I)采集橫搖角信號爐(0，設(shè)定船舶橫搖諧振頻率ω η及控制參數(shù)初值，包括橫搖角反饋系數(shù)h、橫搖角速度反饋系數(shù)k2、橫搖角加速度反饋系數(shù)k3、靈敏度權(quán)函數(shù)W1的增益系數(shù)讓4、阻尼比ξ、控制靈敏度權(quán)函數(shù)W2的增益系數(shù)k5、轉(zhuǎn)折頻率ωρ ω2、ω3 ；(2)以爐(O為輸入，應(yīng)用基于零相移的可調(diào)參數(shù)控制算法計算減搖鰭回路控制輸出U1(t)根據(jù)下式計算控制輸出U1 (t)權(quán)利要求1. 一種基于雙重控制H C 設(shè)計的舵鰭聯(lián)合減搖方法，其特征是 (1)采集橫搖角信號供(O，設(shè)定船舶橫搖諧振頻率《 及控制參數(shù)初值，包括橫搖角反饋系數(shù)h、橫搖角速度反饋系數(shù)匕、橫搖角加速度反饋系數(shù)k3、靈敏度權(quán)函數(shù)巧的增益系數(shù)k4、阻尼比ξ、控制靈敏度權(quán)函數(shù)W2的增益系數(shù)k5、轉(zhuǎn)折頻率ωι、ω2、ω3 ; (2)U叫/)為輸入，應(yīng)用基于零相移的可調(diào)參數(shù)控制算法計算減搖鰭回路控制輸出U1(t) 根據(jù)下式計算控制輸出U1 (t) 上式中表不橫搖角速度，表不橫搖角加速度； 對111(0進(jìn)行拉普拉斯變換，得到減搖器控制器的傳遞函數(shù)Kf(S) Tr , 、 U As) . /c., L 2 K As) = lV =L +^s + ^-s， Φ(^) ωη ω； 上式中Φ (S)為橫搖角例V)的拉普拉斯變換，U1(S)為輸出U1 (t)的拉普拉斯變換； (3)以火/)為輸入，按照零相移的設(shè)計要求確定靈敏度權(quán)函數(shù)及控制靈敏度權(quán)函數(shù)，然后應(yīng)用H c 控制算法計算舵減搖回路控制輸出U2(t) 采用H c 混合靈敏度S/KS問題求解舵減搖控制器，確定H c 設(shè)計中的權(quán)函數(shù)，即確定靈敏度權(quán)函數(shù)W1和控制靈敏度權(quán)函數(shù)W2 靈敏度權(quán)函數(shù)W1 (s)取為 W(S) = ^^， 1 ,^-+2ξω^ + ω； 控制靈敏度權(quán)函數(shù)W2取為 剛=從.+仞丨)(、. + %)， ~.V (,V + (O3) 根據(jù)權(quán)函數(shù)結(jié)構(gòu)及初始控制參數(shù)值，求解H C 優(yōu)化問題，得到舵減搖的H C 控制器KJs)，進(jìn)而得到輸出的拉普拉斯變換U2 (s)為U2(S) = Kr(S) · Φ (S), 對U2 (s)進(jìn)行拉普拉斯反變換，得到U2 (t)； (4)根據(jù)舵、鰭控制輸出繪制系統(tǒng)的開環(huán)Nyquist特性，然后判斷是否滿足指標(biāo)要求，若不滿足，重新調(diào)整各控制參數(shù)值并返回步驟(2)，直到滿足指標(biāo)要求為止 建立舵鰭聯(lián)合減搖對象模型，將以鰭角α即+α)和舵角δ即u2(t)為輸入，橫搖角扒/)為輸出的舵/鰭聯(lián)合減搖對象模型用傳遞函數(shù)G (S)來表示G(s) = , 然后將控制作用Ul(t)和112(0相疊加，令 "、「咕)_ w( )="、， u0(t) 則其拉普拉斯變換U (s)為，2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙重控制H c 設(shè)計的舵鰭聯(lián)合減搖方法，其特征是所述的控制參數(shù)初值分別設(shè)定為ω n=l、k1=2>k2=6/ ω η、k3=2/ ω η、k4=l、ξ =0. 3、k5=l、ω 1—O. I、2 — 2λ 3本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于雙重控制H∞設(shè)計的舵鰭聯(lián)合減搖方法，其特征是：（1）采集橫搖角信號設(shè)定船舶橫搖諧振頻率ωn及控制參數(shù)初值，包括橫搖角反饋系數(shù)k1、橫搖角速度反饋系數(shù)k2、橫搖角加速度反饋系數(shù)k3、靈敏度權(quán)函數(shù)W1的增益系數(shù)k4、阻尼比ξ、控制靈敏度權(quán)函數(shù)W2的增益系數(shù)k5、轉(zhuǎn)折頻率ω1、ω2、ω3；（2）以為輸入，應(yīng)用基于零相移的可調(diào)參數(shù)控制算法計算減搖鰭回路控制輸出u1(t)：根據(jù)下式計算控制輸出u1(t)：上式中表示橫搖角速度，表示橫搖角加速度；對u1(t)進(jìn)行拉普拉斯變換，得到減搖器控制器的傳遞函數(shù)Kf(s)：Kf(s)=U1(s)φ(s)=k1+k2ωns+k3ωn2s2,上式中φ(s)為橫搖角的拉普拉斯變換，U1(s)為輸出u1(t)的拉普拉斯變換；（3）以為輸入，按照零相移的設(shè)計要求確定靈敏度權(quán)函數(shù)及控制靈敏度權(quán)函數(shù)，然后應(yīng)用H∞控制算法計算舵減搖回路控制輸出u2(t)：采用H∞混合靈敏度S/KS問題求解舵減搖控制器，確定H∞設(shè)計中的權(quán)函數(shù)，即確定靈敏度權(quán)函數(shù)W1和控制靈敏度權(quán)函數(shù)W2：靈敏度權(quán)函數(shù)W1(s)取為：W1(s)=k4ωn2ss2+2ξωns+ωn2,控制靈敏度權(quán)函數(shù)W2取為：W2(s)=k5(s+ω1)(s+ω2)s(s+ω3),根據(jù)權(quán)函數(shù)結(jié)構(gòu)及初始控制參數(shù)值，求解H∞優(yōu)化問題，得到舵減搖的H∞控制器Kr(s)，進(jìn)而得到輸出的拉普拉斯變換U2(s)為：U2(s)＝Kr(s)·φ(s)，對U2(s)進(jìn)行拉普拉斯反變換，得到u2(t)；（4）根據(jù)舵、鰭控制輸出繪制系統(tǒng)的開環(huán)Nyquist特性，然后判斷是否滿足指標(biāo)要求，若不滿足，重新調(diào)整各控制參數(shù)值并返回步驟（2），直到滿足指標(biāo)要求為止：建立舵鰭聯(lián)合減搖對象模型，將以鰭角α即u1(t)和舵角δ即u2(t)為輸入，橫搖角為輸出的舵/鰭聯(lián)合減搖對象模型用傳遞函數(shù)G(s)來表示：G(s)＝[Gf(s)？Gr(s)]，然后將控制作用u1(t)和u2(t)相疊加，令u(t)=u1(t)u2(t),則其拉普拉斯變換U(s)為，U(s)=U1(s)U2(s)=K(s)φ(s)=Kf(s)Kr(s)φ(s)根據(jù)K(s)及G(s)得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)L(s)＝K(s)G(s)，繪制開環(huán)Nyquist圖，判斷是否同時滿足以下指標(biāo)要求：a、魯棒性要求：開環(huán)Nyquist圖離？1點距離大于0.5，角頻率大于0.1的開環(huán)增益都分布在虛軸的右側(cè)；b、零相移要求：Nyquist圖線上的ωn點落在正實軸上，而且在此頻率點系統(tǒng)的開環(huán)增益最大；c、減搖性能要求：最大開環(huán)增益值≥13；最后根據(jù)對各項指標(biāo)要求的判斷結(jié)果，調(diào)節(jié)控制參數(shù)k1、k2、k3、ξ、k4、k5、ω1、ω2及ω3的值，直到滿足指標(biāo)要求。FDA00002337635900011.jpg,FDA00002337635900012.jpg,FDA00002337635900013.jpg,FDA00002337635900014.jpg,FDA00002337635900015.jpg,FDA00002337635900017.jpg,FDA00002337635900018.jpg,FDA00002337635900022.jpg...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉彥文，梁利華，張松濤，高振國，綦志剛，李棟良，許保同，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工程大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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