本发明涉及的是一种船舶减横摇控制方法，特别是一种装配鳍/翼鳍矢量面的船舶减横摇模糊遗传智能控制方法。
背景技术：
船舶航行时受到海浪、海风等环境因素的影响，将产生剧烈的随机横摇运动。船舶的横摇运动直接影响到船舶的适航性和舒适性，产生诸多不利影响，更有甚者能够危及船舶的航行安全。船舶减摇鳍被公认为是最为有效的主动减横摇装置，传统的减摇鳍多采用整体鳍，由于工程上限制和实现技术上限制，鳍的面积和展弦比受到了限制，因此鳍上产生的控制力(矩)也受到了限制，从而减摇能力与减摇效率也受到了限制。通过在鳍的尾部开襟形成一个翼鳍，对鳍和翼鳍实施独立的矢量控制，可调整组合鳍表面的曲率，大大提高了控制器的水动力性能和扶正能力。因此研究基于鳍/翼鳍控制面的船舶减横摇控制系统技术具有重要的工程应用价值。
船舶横摇系统的随机性和参数摄动，加之鳍和翼鳍的升力参数也会受到航速和浪向等影响而变化，因此难以建立精确的系统数学模型，传统PID控制律鲁棒性较差，难以达到理想的控制效果。模糊控制不要求精确的数学模型，具有良好的鲁棒性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能保证鳍/翼鳍电伺服系统具有较高位置、速度控制精度和最佳船舶减摇效果的基于鳍与翼鳍矢量控制的船舶减横摇系统双环控制方法。
本发明的目的是这样实现的：包括外环的减横摇控制系统和内环的电驱动伺服系统，通过横摇检测装置检测横摇角与给定的横摇角度作差送入外外环的减横摇控制系统的外环模糊控制器FC1，计算给出减横摇控制所需扶正控制力矩及鳍角、翼鳍角指令信号，并作为内环的电驱动伺服系统的给定输入，分别与检测到的鳍角与翼鳍角作差，分别送入鳍内环模糊控制器FC2和翼鳍内环模糊控制器FC3，用以实现鳍与翼鳍伺服系统执行器的精确控制，驱动鳍与翼鳍运动产生所需的横摇扶正控制力矩。
本发明还可以包括：
1、外环的减横摇控制系统的具体处理过程为：外环模糊控制器FC1的控制输入为横摇角偏差和横摇角偏差变化率其中为给定横摇角，为实际横摇角，通过外环模糊控制器FC1得到鳍角与翼鳍角智能决策器的控制量αf和βf分别为鳍角和翼鳍角，然后通过智能决策器计算出最小能耗和最佳减摇效果指标下的鳍角和翼鳍角指令信号αr，βr。
2、内环的电驱动伺服系统的具体处理过程为：鳍内环模糊控制器FC2和翼鳍内环模糊控制器FC3的输入分别为鳍角αe与翼鳍角βe、以及相应的鳍角误差变化率dαe/dt与翼鳍角误差变化率dβe/dt，其中αe＝αr-αf，βe＝βr-βf，鳍内环模糊控制器FC2输出u2＝FC2(αe,dαe)与翼鳍内环模糊控制器FC3输出u3＝FC3(βe,dβe)用于修正伺服系统控制器的参数。
本发明针对基于鳍/翼鳍矢量控制面船舶减横摇控制系统，提出了采用双环模糊遗传控制策略，分别针对鳍/翼鳍内环电伺服系统和减横摇外环控制系统实施模糊遗传控制策略，进一步提高了减摇效果，降低了系统能耗。
船舶减横摇双环模糊遗传控制系统主要包括外环的减横摇控制系统和内环的电驱动伺服系统。通过驱动鳍/翼鳍独立运动产生所需的横摇扶正力矩，实现对船舶的减横摇控制。外环减横摇控制器由模糊控制器FC1和鳍角/翼鳍角智能决策器组成，模糊控制器FC1用于计算减摇所需的横摇扶正力矩，通过鳍角/翼鳍角智能决策器给出合理的鳍角、翼鳍角度指令信号。横摇检测装置检测的横摇角与给定的横摇角度之差送入外环的减横模糊摇控制器FC1，通过计算给出减横摇控制所需的扶正力矩并行决策器给出鳍角、翼鳍角指令信号，并将该角度信号作为鳍/翼鳍内环伺服系统的给定输入信号，与检测到的鳍角、翼鳍角之差送入鳍、翼鳍内环模糊控制器FC2、FC3，用以实现鳍/翼鳍控制面的精确控制。
本发明采用内环模糊控制器能够对鳍/翼鳍伺服系统进行快速准确的控制，保证了良好的鳍角/翼鳍角伺服跟踪性能。在随机海浪扰动下，外环模糊控制能保证减横摇系统具有良好的减摇效果且减小了系统的能耗。采用永磁同步电机伺服系统对鳍/翼鳍驱动控制，具有较好的低速性能，平稳的输出转矩，较宽的调速范围，较好的启动和制动性能。
附图说明
图1为基于鳍/翼鳍矢量控制面船舶减横摇模糊遗传控制系统原理图。
图2外环模糊控制器(FC1)结构图。
图3鳍PMSM伺服系统结构图。
图4翼鳍PMSM伺服系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作详细的描述：
结合图1，鳍/翼鳍减横摇控制系统主要由外环的减横摇控制器、内环的鳍/翼鳍PMSM伺服系统模糊控制器FC2和FC3、横摇检测装置、鳍角/翼鳍角检测装置及控制面鳍/翼鳍等构成。其中外环减横摇控制器由模糊控制器FC1和鳍角/翼鳍角智能决策器组成。
横摇检测装置检测横摇角并与给定的横摇角度作差送入外环的减横摇控制器，通过计算给出减横摇控制所需的扶正力矩及鳍角、翼鳍角指令信号，将该指令信号作为内环鳍/翼鳍伺服系统的给定输入，并与检测到的鳍角、翼鳍角作差送入鳍、翼鳍内环模糊控制器FC2、FC3，用以实施鳍/翼鳍PMSM伺服系统的精确控制，驱动鳍/翼鳍转动产生所需的横摇扶正控制力矩，实现对船舶的减横摇控制。模糊控制器FC1用于计算减摇所需的横摇扶正控制力矩，并通过鳍角/翼鳍角智能决策器给出增效节能的鳍角、翼鳍角度指令信号。
结合图2，外环减横摇控制器输入为横摇角偏差和横摇角偏差变化率其中为给定横摇角(通常为0),为实际横摇角。减横摇控制器由模糊控制器FC1和鳍角/翼鳍角智能决策器组成。横摇角偏差和横摇角偏差变化率送入模糊控制器FC1中，经过算法解析，可以得到鳍角/翼鳍角智能决策器的输入量然后通过智能决策器计算出最小能耗指标下的最优鳍角和翼鳍角指令信号αr，βr。
模糊控制器FC1采用了改进的遗传算法优化模糊控制器(IGA-FC)控制规则。控制器由性能评价模块、知识库、模糊规则库、参数修改执行器和规则修改执行器等部分组成。性能评价模块以船舶横摇角、横摇角速度、鳍角、鳍角变化率、翼鳍角和翼鳍角变化率的加权积分值作为性能评价指标。遗传算法优化模糊控制器(IGA-FC)根据该评价指标的评价值，同时基于事先建立的控制系统知识库，实时对模糊规则进行规则修改，同时对比例因子Ke、Kec，Ku进行在线参数修正，从而进一步增强系统的自适应能力和鲁棒性。
结合图3和4，内环鳍/翼鳍永磁同步电机伺服系统主要包括两台永磁同步电机(PMSM)、两组功率放大装置、两组行星齿轮减速器、相关传动机构以及鳍叶和翼鳍叶等。其中，鳍和翼鳍各自单独驱动，分别通过两套永磁同步电机伺服系统实现。反馈部分主要包括电流反馈、速度反馈和位置反馈，以及实施鳍叶/翼鳍叶位置信号采集等。
结合图3，内环鳍永磁同步电机伺服系统模糊控制器FC2的输入为鳍角误差αe，以及相应的鳍角误差变化率dαe/dt，其中αe＝αr-αf，FC2的控制器输出u2＝FC2(αe,dαe)，用于修正鳍伺服系统控制器的参数，从而实现鳍角的精确快速控制。鳍伺服系统采用三环控制策略，模糊控制器FC2能够实时对控制器参数进行优化，基于SVPWM控制方法，通过功率放大装置，驱动伺服电机，带动鳍叶跟随指令转动。
结合图4，内环翼鳍永磁同步电机伺服系统模糊控制器FC3的输入为翼鳍角误差βe，以及相应的翼鳍角误差变化率dβe/dt，其中βe＝βr-βf，FC3的控制器输出u3＝FC3(βe,dβe)，用于修正翼鳍伺服系统控制器的参数，从而实现翼鳍角的精确快速控制。翼鳍伺服系统采用三环控制策略，模糊控制器FC3能够实时对控制器参数进行优化，基于SVPWM控制方法，通过功率放大装置，驱动伺服电机，带动翼鳍叶跟随指令转动。
内环模糊控制器模糊子集如下
从而得到模糊规则表，如表1所示。
其中，NB代表“负大”，NM代表“负中”，NS代表“负小”，ZE代表“零”，PS代表正小，PM代表“正中”，PB代表“正大”
表1内环控制器模糊规则表