专利名称：一种船舶舵减摇的综合再置控制方法
技术领域：
本发明涉及的是ー种船舶控制方法，具体地说是船舶减摇控制方法。
背景技术：
对于航行中的船舶而言，由于风、浪、流等环境干扰的作用，会产生各种摇荡，对船舶的安全性、船上的设备、货物及船员都会产生不利影响，其中以横摇影响最为严重。舵的主要作用是用来控制航向，但是操舵时船会有一个初始的内倾，直到达到稳定状态的外倾角，而且，这个初始的横摇角发生在船进入任何航向运动之前。具体原理是当舵偏离中心位置时，就会产生ー个升カ——舵力，因为舵的尺寸很小，所以这个カ也很小，但是因为舵安装在船的底部，它所产生的横摇カ矩却很大，这个横摇カ矩就会产生横摇运动。舵减摇是利用操舵所产生的横摇运动来抵消波浪产生的横摇。应用舵减摇，减摇率一般可以达到 30% 70%。当然，对于要求比较高的船舶，也可以将舵减摇与其它减摇装置配合起来进行联合减摇。由于舵减摇可以利用船上现有的舵和操舵系统，无需增加额外的硬件设备，不仅可以在大中型的特种船舶和民用船上应用，也适用于小船。目前，舵减摇技术在许多国家受到了不同程度的重视，有着广阔的应用前景。目前国内外有一些针对再置控制的文献，但没有文献和专利成果进行过船舶减摇系统再置控制的研究。Joaquin Carrasco等发表在《IEEE TRANSACT IONSON CONTROLSYSTEMS TECHNOLOGY》上的文章“ Reset Control of an Industrial In-Line pH Process”针对具有时滞的化工业对象，提出了一种再置补偿器的设计方案。Alejandro FernandezVillaverde 等发表在《IEEE TRANSACTIONS 0NINDUSTRIAL ELECTRONICS》上的文章“ResetControl for Passive BilateralTeleoperation”针对双边遥操作系统的通讯时滞导致的速度和鲁棒性之间的冲突，给出了部分再置控制器。这些再置补偿器都是针对特定的时滞对象设计的，并不适用于其它的系统。对船舶舵减摇系统而言，由于横摇对象具有非最小相位特性，会有很大的相位滞后，所以需要在控制器中加入一定的超前校正作用，因此简单的再置补偿器并不适用。目前对于舵减摇控制，国内外都有一定的研究。Roberts等发表在《IEEProceedings of Control Theory Applications))上的文章“Robustcontro丄methodology applied to the design of a combined steering/stabilizersystem for warships”应用H 00控制理论设计了舵减摇控制器,该文献只给出了系统的闭环频率特性，并没有对减摇效果进行分析和验证。杨承恩等发表在《中国造船》上的文章“ー种用U分析设计的舵减摇鲁棒控制器”用U分析方法设计了ー种H⑴控制器来解决结构化模型不确定性问题，虽然该舵减摇控制器具有一定的减摇效果，但不足之处是会导致艏摇角増大。
发明内容
本发明的目的在于提供对船舶横摇谐振频率附近的海浪干扰具有最強的扰动抑制能力的ー种船舶舵减摇的综合再置控制方法。本发明的目的是这样实现的本发明ー种船舶舵减摇的综合再置控制方法，其特征是(I)采集船舶横摇角信号e(t)，设定各控制參数初值，包括反馈系数、微分时间常数T i、滤波时间常数Tf、可调增益系数1 、转折频率1/1\及1/T2 ；(2)以e(t)为输入，利用基于非线性积分即clegg积分和微分补偿的再置控制算法，计算输出信号U1 (t)；(3)以^⑴为输入，利用低通滤波算法滤掉高频噪声，并削弱由步骤(2)的非线性积分导致的尖峰信号，计算输出信号U2 (t)；(4)以U2 (t)为输入，应用超前校正算法对系统进行低频段的微分补偿及船舶谐振频率点的开环增益补偿，计算闭环反馈控制信号u(t)；(5)绘制系统的开环Nyquist图及闭环频率特性，判断设计指标是否满足条件，若不满足，重新调整各控制參数值，包括《p、Tf、V T1, T2，返回到步骤(2)重新计算反馈输出u (t),直到满足指标要求为止；所述的判断设计指标的条件为同时满足a、鲁棒性要求开环Nyquist图在低频处离-I点的距离>0. 5 ；b、减摇性能要求开环增+益在船舶谐振频率处达到最大，且增益值彡2. 5 ;闭环灵敏度幅值在谐振频率点最低，此灵敏度函数幅值I S I min低于-10dB，对主导频率在谐振频率点的海浪干扰，减摇率达到60%以上；C、舵机饱和非线性限制要求最大舵角5 _ = ±30°，最大舵速む=±12。，其中反馈输出u(t)即为舵角，反馈输出的导数6(/)即为舵角速度。本发明还可以包括I、所述的再置控制算法具体过程为首先令ei (t) =e (t)，构造积分输入信号，然后根据非线性积分器——clegg积分器的微分方程编制积分算法来求积分器输出，即求积分状态变量X1 (t)；然后构造反馈回路，将clegg积分器的输出X1 (t)反馈到输入端，即令ei(t)=
e(t)-WpX1 (t)clegg积分器有两个输入信号，分别为ei(t)和e(t)，当e(t)デ0吋，对积分器的输入ei(t)进行正常的积分累加，得到输出X1 (t);当e(t) = 0的时刻t = t+，将积分器的输出，即状态变量X1 (t)重新置0;最后以Xl(t)作为输入，利用微分补偿算法，计算输出信号Ul(t)，
W1(Z) = ^tr1X1(Z)+ X1(Z)]整个再置控制算法描述为如下的微分方程
权利要求
1.一种船舶舵减摇的综合再置控制方法，其特征是 (1)采集船舶横摇角信号e(t)，设定各控制参数初值，包括反馈系数ωρ、微分时间常数τ i、滤波时间常数Tf、可调增益系数Iv转折频率1/ \及1/Τ2 ； (2)以e(t)为输入，利用基于非线性积分即clegg积分和微分补偿的再置控制算法，计算输出信号七⑴； (3)以+α)为输入，利用低通滤波算法滤掉高频噪声，并削弱由步骤(2)的非线性积分导致的尖峰信号，计算输出信号U2 (t)； (4)以U2(t)为输入，应用超前校正算法对系统进行低频段的微分补偿及船舶谐振频率点的开环增益补偿，计算闭环反馈控制信号u(t)； (5)绘制系统的开环Nyquist图及闭环频率特性，判断设计指标是否满足条件，若不满足，重新调整各控制参数值，包括OpTpkc^TpT2,返回到步骤(2)重新计算反馈输出u (t)，直到满足指标要求为止； 所述的判断设计指标的条件为同时满足 a、鲁棒性要求开环Nyquist图在低频处离_1点的距离>0.5 ； b、减摇性能要求开环增益在船舶谐振频率ωη处达到最大，且增益值>2. 5 ;闭环灵敏度幅值在谐振频率点最低，此灵敏度函数幅值I S Imin低于-10dB，对主导频率在谐振频率点的海浪干扰，减摇率达到60%以上； C、舵机饱和非线性限制要求最大舵角δ_=±30°，最大舵速Jrax =±12'其中反馈输出u(t)即为舵角，反馈输出的导数 ’/(/)即为舵角速度。
2.根据权利要求I所述的一种船舶舵减摇的综合再置控制方法，其特征是所述的再置控制算法具体过程为 首先令ei (t) =e (t)，构造积分输入信号，然后根据非线性积分器——clegg积分器的微分方程编制积分算法来求积分器输出，即求积分状态变量X1 (t)； 然后构造反馈回路，将clegg积分器的输出X1 (t)反馈到输入端，即令ei(t)=e(t)-ωρΧι (t) clegg积分器有两个输入信号，分别为ei(t)和e(t)，当e(t) Φ O时，对积分器的输入ei(t)进行正常的积分累加，得到输出X1 (t);当e(t) = O的时刻t = t+，将积分器的输出，即状态变量X1 (t)重新置O; 最后以X1 (t)作为输入，利用微分补偿算法，计算输出信号U1 (t)，
3.根据权利要求2所述的一种船舶舵减摇的综合再置控制方法，其特征是所述的低通滤波算法用如下的传递函数C2 (s)来描述
4.根据权利要求3所述的一种船舶舵减摇的综合再置控制方法，其特征是所述超前校正算法用如下的传递函数C3 (s)来描述
5.根据权利要求4所述的一种船舶舵减摇的综合再置控制方法，其特征是所述的绘制系统的开环Nyquist图及闭环频率特性过程为 将再置控制算法的频域描述函数与低通滤波算法及超前校正算法的线性传递函数相结合，定义Κ(ω) =C1(Co) .C2(j ) · 3 ·ω)，用Κ(ω)描述整个综合再置控制算法的频率特性，并建立船舶舵减摇对象模型，用传递函数G (S)来表示，从而绘制系统的开环Nyquist图及闭环频率特性。
6.根据权利要求5所述的一种船舶舵减摇的综合再置控制方法，其特征是所述的控制参数初值为 反馈系数ωρ=0. 01rad/s、微分时间常数T1 = 1/(1. 62 ωρ) ~ 61. 73s、滤波时间常数Tf = O. I、可调增益系数 kQ=l、转折频率 l/TflOrad/sU/TfSrad/s。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种船舶舵减摇的综合再置控制方法，包括采集船舶横摇角信号e(t)，设定各控制参数初值，；以e(t)为输入，计算输出信号u1(t)；以u1(t)为输入，滤掉高频噪声，削弱非线性积分导致的尖峰信号，计算输出信号u2(t)；以u2(t)为输入，计算闭环反馈控制信号u(t)；绘制系统的开环Nyquist图及闭环频率特性，判断设计指标是否满足条件，若不满足，重新调整各控制参数值，重新计算反馈输出u(t)，直到满足指标要求为止。本发明有效地解决了舵减摇系统中非最小相位特性引起的大的相位滞后，对船舶横摇谐振频率附近的海浪干扰，具有最强的扰动抑制能力，从而大大提高了系统的减摇能力。
文档编号B63B39/00GK102951272SQ201210422170
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者刘彦文, 綦志刚, 高振国, 许保同, 李栋良, 梁利华, 张松涛 申请人:哈尔滨工程大学