专利名称：一种基于双重控制h∞设计的舵鳍联合减摇方法
技术领域：
本发明涉及的是一种船舶控制方法，具体地说是船舶减摇方法。
背景技术：
船舶在海上航行时，由于受到风浪等环境干扰的作用，会产生各种摇荡，这对船舶的安全性、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。舵鳍联合减摇是利用船上现有的舵和操舵系统，与减摇鳍联合起来进行控制，其中减摇鳍起主要的减摇作用，而自动舵在保持航向的同时，起到辅助的减摇作用，这种舵鳍联合控制，能对减摇鳍起到有力的补偿作用，可以在保持航向控制精度的前提下大大提高系统的减摇能力，在提高整体减摇效果的同时，还可以减小减摇鳍的动作和噪音，从而使船舶的适航性、安全性以及成员的舒适性得到相应的提高。目前，舵鳍联合控制的研究一直是船舶减摇领 域研究的热点内容。目前对于舵鳍联合减摇系统的控制，国内外都有一定的研究，但尚未发现应用双重控制进行舵鳍联合减摇设计的文献和专利成果。国外主要文献有1996年，Sharff等在《Control Eng. Practice》上发表的文章“Final Experimental Results of Full Scale Fin/Rudder Roll Stabilisation SeaTrials”用经典方法设计了舵/鳍联合减摇的PID控制器，但其并没有考虑艏摇与横摇之间、减摇鳍回路与舵回路之间的相互作用，而且所给出的PID控制器也不能保证系统在海浪干扰的主要频带内都能达到较高的减摇率。1997年,Roberts等在《IEE Proceedings ofControl Theory Applications》上发表的文章“Robust control methodology appliedto the design of a combined steering/stabilizer system for warships，，应用 H 00控制理论设计了舵鳍联合减摇控制器，并与经典PID控制器设计结果进行了对比，但控制器设计过程中忽略了回路之间的耦合作用及综合控制效果的优化。1999年，Sgobbo等在《Marine Technology》上发表的文章“Rudder/Fin Roll Stabilization of the USCGWMEC 901 Class Vessel”利用美海岸警卫队WMEC901级舰现有的舵/鳍传动机构，采用LQR方法设计了舵/鳍联合减摇的控制器，通过与单独减摇鳍相对比，指出舵/鳍联合控制器能在保持航向控制精度的同时提高减摇效果。该文献所给出的控制器过于简单，且在性能权函数选择方面也没有进行一定的优化调节，减摇效率比较低。2004年，Tanguy等在《Proceedings of the 2004 American Control Conference》上发表的文章 “Fin RudderRoll Stabilisation of Ships:a Gain Scheduling Control Methodology，，用增益标定控制方法设计了船舶舵/鳍联合减摇的闭环控制系统，但并没有考虑横摇控制对航向的影响。国内主要文献有2005年，张冰等在《中国航海》上发表的文章“船舶舵鳍联合减摇模糊变结构控制研究”给出了船舶舵/鳍联合减摇控制系统的状态方程，并设计了舵/鳍联合减摇的变结构控制器。2002年，于萍等在《系统仿真学报》上发表的文章“基于H -设计法的非线性舵鳍联合控制系统仿真研”基于H c 状态反馈，进行了舵/鳍联合控制系统的设计。2006年，张显库等在《交通运输工程学报》上发表的文章“舵鳍联合减摇的鲁棒控制系统”用MMO闭环增益成形算法设计了船舶舵/鳍联合减摇的控制系统。文献所设计的控制器大都没有分析减摇鳍回路与舵减摇回路的不同动态特性，只能保证控制作用的叠力口，不能保证综合减摇效果的最优化及性能的优化，也没考虑如何最大化的发挥减摇鳍及舵的作用。
发明内容
本发 明的目的在于提供舵和鳍两个回路的Nyquist曲线在船的自然频率上都做到零相移的一种基于双重控制H c 设计的舵鳍联合减摇方法。本发明的目的是这样实现的本发明一种基于双重控制H c 设计的舵鳍联合减摇方法，其特征是( I)采集横摇角信号炉(0，设定船舶横摇谐振频率ω η及控制参数初值，包括横摇角反馈系数h、横摇角速度反馈系数k2、横摇角加速度反馈系数k3、灵敏度权函数W1的增益系数让4、阻尼比ξ、控制灵敏度权函数W2的增益系数k5、转折频率ωρ ω2、ω3 ；(2)以炉(O为输入，应用基于零相移的可调参数控制算法计算减摇鳍回路控制输出
U1(t)根据下式计算控制输出U1 (t)
权利要求
1. 一种基于双重控制H C 设计的舵鳍联合减摇方法，其特征是 (1)采集横摇角信号供(O，设定船舶横摇谐振频率《 及控制参数初值，包括横摇角反馈系数h、横摇角速度反馈系数匕、横摇角加速度反馈系数k3、灵敏度权函数巧的增益系数k4、阻尼比ξ、控制灵敏度权函数W2的增益系数k5、转折频率ωι、ω2、ω3 ; (2)U叫/)为输入，应用基于零相移的可调参数控制算法计算减摇鳍回路控制输出U1(t) 根据下式计算控制输出U1 (t) 上式中表不横摇角速度，表不横摇角加速度； 对111(0进行拉普拉斯变换，得到减摇器控制器的传递函数Kf(S) Tr , 、 U As) . /c., L 2 K As) = lV =L +^s + ^-s， Φ(^) ωη ω； 上式中Φ (S)为横摇角例V)的拉普拉斯变换，U1(S)为输出U1 (t)的拉普拉斯变换； (3)以火/)为输入，按照零相移的设计要求确定灵敏度权函数及控制灵敏度权函数，然后应用H c 控制算法计算舵减摇回路控制输出U2(t) 采用H c 混合灵敏度S/KS问题求解舵减摇控制器，确定H c 设计中的权函数，即确定灵敏度权函数W1和控制灵敏度权函数W2 灵敏度权函数W1 (s)取为 W(S) = ^^， 1 ,^-+2ξω^ + ω； 控制灵敏度权函数W2取为 刚=从.+仞丨)(、. + %)， ~.V (,V + (O3) 根据权函数结构及初始控制参数值，求解H C 优化问题，得到舵减摇的H C 控制器KJs)，进而得到输出的拉普拉斯变换U2 (s)为U2(S) = Kr(S) · Φ (S), 对U2 (s)进行拉普拉斯反变换，得到U2 (t)； (4)根据舵、鳍控制输出绘制系统的开环Nyquist特性，然后判断是否满足指标要求，若不满足，重新调整各控制参数值并返回步骤(2)，直到满足指标要求为止 建立舵鳍联合减摇对象模型，将以鳍角α即+α)和舵角δ即u2(t)为输入，横摇角扒/)为输出的舵/鳍联合减摇对象模型用传递函数G (S)来表示G(s) = [Gf(s) Gr(S)], 然后将控制作用Ul(t)和112(0相叠加，令 "、「咕)_ w( )="、， u0(t) 则其拉普拉斯变换U (s)为，
2.根据权利要求I所述的一种基于双重控制H c 设计的舵鳍联合减摇方法，其特征是所述的控制参数初值分别设定为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 — 500。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种基于双重控制H∞设计的舵鳍联合减摇方法，包括采集横摇角信号设定控制参数初值；以为输入，计算减摇鳍回路控制输出u1(t)；以为输入，确定灵敏度权函数及控制灵敏度权函数，计算舵减摇回路控制输出u2(t)；根据舵鳍联合减摇对象模型及合成的舵、鳍控制作用绘制系统的开环Nyquist特性，然后判断是否满足指标要求，若不满足，重新调整各控制参数值，直到满足指标要求为止。本发明充分利用了舵和减摇鳍的作用，通过对舵和减摇鳍回路的零相移设计使二者合成的减摇效果相叠加，实现了对系统的双重控制，从而大大增强了船舶的减摇能力。
文档编号B63B39/00GK102910265SQ201210427910
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者刘彦文, 梁利华, 张松涛, 高振国, 綦志刚, 李栋良, 许保同 申请人:哈尔滨工程大学