一种基于综合减摇混沌系统的pid控制器优化控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及的是一种船舶减摇控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着船舶横摇运动理论飞速发展，国内外学者利用非线性理论及方法开始对船舶 减摇过程中出现大量复杂非线性现象进行研宄分析。混沌理论及混沌控制理论的发展为船 舶横摇运动分析提供了新思路。
[0003] C. Novara-L. Fagiano提出利用直接反馈控制设计非线性系统，克服由非线性参数 变化给设计带来困难，李天伟利用矩形脉冲对船舶航向运动模型进行微扰控制取得良好控 制效果，张惠采用数值分析方法指出结构参数变化对机翼非线性系统混沌运动产生影响， 为利用改变结构参数实现混沌特性有效控制提供参考依据。
[0004] 大连海事大学的马磊和张显库在船舶力学（第17卷第7期，2013年7 月，P741-747.)上面发表了《基于混沌分析的船舶参数激励横摇运动及其减摇鳍控制研 宄》，文章运用李雅普诺夫指数（Lyapunov)和Welch法对船舶参数激励横摇运动进行混纯 分析，发现当参数激励频率接近2倍于船舶固有横摇频率时，船舶参数激励横摇运动出现 混沌现象，船舶出现大幅横摇甚至有倾覆危险。而后利用Backstepping方法和闭环增益成 形算法设计出减摇鳍控制器抵消参数激励和外界海浪干扰产生的船舶大幅横摇，使船舶最 终摆脱混沌，处于稳定的安全状态。由于该减摇鳍控制器只有在高航速下减摇效果较好。但 是，在低航速下，减摇鳍控制系统不能正常工作，会影响实际控制效果。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供能明显提高控制系统性能的一种基于综合减摇混沌系统 的PID控制器优化控制方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 本发明一种基于船舶综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法，其特征是： [0008] (1)建立综合减摇系统模型，以海浪波倾角作为综合减摇系统输入：
[0009] 船舶同时装备减摇鳍和被动式减摇水舱，减摇鳍产生扶正力矩乂.= .40++ 时，综合减摇系统模型为：
【主权项】
1. 一种基于船舶综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法，其特征是： (1) 建立综合减摇系统模型，以海浪波倾角作为综合减摇系统输入： 船舶同时装备减摇鳍和被动式减摇水舱，减摇鳍产生扶正力矩=.40+时， 综合减摇系统模型为：
k为自减 摇鳍上水动力压力中心到船舶重心的作用力臂，Pt为海水密度，V为航速，Af为减摇鳍的 投影面积，^为升力系数斜率，Φ为横摇角，_为横摇角速度，g为横摇角加速度，Kh为
航速调节系数，Kp KP、Kd为PID参数，分别夕
，F 为常数，Κω = Dh a eC0S ω t 为 扰动力矩，I1为相对于通过船舶重心的纵轴的惯量和附加惯量之和，
为舱内 液体对横摇轴的质量惯性矩，S为沿水舱轴线的法线方向的局部截面积，r为微质量dm的质 心到横摇轴的距离微质量，％为船舶阻尼系数，D为排水量，h'为加入水舱后稳心高，Pt 为海水密度，Stl为边舱自由液面面积，
为水舱轴线对横摇轴的静压力矩，γ 为r与d之间的夹角，dl为液体微体积沿水舱轴线的长度，1为U型水舱轴线长度，ζ为边 舱内水位高度，
为舱内水柱相当长度，Nt为水舱阻尼系数，R为边舱中至船舶 纵中刨面的水平距离，g为重力加速度； (2) 将综合减摇系统模型转化为综合减摇混沌系统模型，并利用相图及Lyapunov指数 谱分析方法验证综合减摇系统模型具有混沌特性： 将综合减摇系统模型的表达式进行无量纲化得：
令X1= φ，X2 =0，X3= z，X4 =?，将无量纲化方程转化为综合减摇混纯系统模型方 程：
(3) 对综合减摇混沌系统模型进行混沌控制： 利用分段二次函数χ|χ|作为产生混沌的发生器，选择系统李雅普诺夫指数都为非正 所对应的分岔K参数作该船舶综合减摇混沌系统的非线性反馈控制器，并应用于船舶综合 减摇混沌系统中进行反馈操作，使船舶综合减摇混沌系统寻找不稳定周期轨道，同时实现 混沌系统的有效控制，对步骤（2)中的综合减摇混沌系统模型进行混沌控制，参数与综合 减摇混沌系统模型方程相同，此时混沌控制方程为：
式中：K为混沌系统模型的分岔参数； (4) 采用混沌算法与蚁群算法相结合的方法，对PID参数Kp、心和K ,进行调整和寻优： 首先利用蚁群算法初步确定最优解所在范围的大小；然后使用混沌优化算法在全局最 优蚂蚁周围进行混沌搜索，若找到优于当前最优蚂蚁的解，则用它来替换当前的全局最优 蚂蚁，计算更新过的最优蚂蚁的路径，便得到最优值； (5) 优化综合减摇混纯系统输出的横摇角Φ : 通过步骤（4)得到的最优PID参数Kp、KJPKd，优化综合减摇混沌系统输出的横摇角 Φ，从而使得综合减摇混沌系统减摇效率达到75%以上，否则重复执行步骤（4)和（5)，利 用混沌蚁群算法进行PID参数优化，直到减摇效率达到75%以上，其中，减摇效率R计算公 式为·
式中：瓦:为未安装减摇鳍时横摇角平均值；》为安装减摇鳍时横摇角平均值。
2.根据权利要求1所述的一种基于船舶综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方 法，其特征是： 利用混沌算法与蚁群算法相结合对PID控制器参数的寻优过程如下： (1) PID控制参数优化问题转化为混沌蚁群算法优化问题： 首先把控制器的控制参数Kp、Kp Kd可转换成组合寻优的问题，将控制参数值视为5位 有效数字，待寻参数（Kp，Ki,Kd)组成15位的数字序列记为{ Ci，i = 1，2··· 15}，每个Ci取值 y」{j = 1，2··· 9}，因此每次序列可以在Kci, y』）I i = 1，2··· 15, j = 1，2…9}组成区域中表 示，即这个序列就是人工蚂蚁的一条路径； (2) 目标函数的建立 采用改进ITAE性能指标作为目标函数：
其中，P为调节因子，一般取P大于1，可根据实际问题适当调整； (3) 路径的构建 当蚂蚁从（(V1A)爬行到下一个（Ci，yP结点按照随机比例概率进行选择，当所有蚂 蚁到达（15, yp即实现一次循环，在此过程中，假设蚂蚁爬行相邻结点所用时间是相等的， 与路径无关，则蚂蚁从（(V 1, h)爬行到下一个（Ci，yP结点是按式下式作为选择路径的概 率：
式中：Pk (Ci, yj, t)表示t时刻蚂蚁从（Cp1, yp爬行到下一个（Ci, yj的点率， τ (Ci, y』，t)为t时亥Ij (Ci, y』）结点上的信息量，n (Ci, y』，t)为t时亥Ij (Ci, y』）结点上的能 见度； (4) 信息素 的更新，确定最优蚂蚁： 当全部蚂蚁从原点出发，15个单位时间过后，每只蚂蚁都爬到终点，计算各蚂蚁的路径 长度，寻找当前的最优解，即为最优蚂蚁； (5) 利用混沌算法对在全局最优蚂蚁周围进行混沌搜索，得到最优解： 利用混沌算法对在全局最优蚂蚁周围进行混沌搜索，若找到优于当前最优蚂蚁的解， 则用它来替换当前的全局最优蚂蚁，计算更新过的最优蚂蚁，便得到最优值，若未找到优于 当前最优蚂蚁的解，则当前蚂蚁的解为最优值。
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种基于综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法，针对船舶减摇问题，对综合减摇系统动力学模型方程进行分析，得到该系统为混沌系统。利用相图与Lyapunov指数谱分析方法，验证该系统在特定条件下的混沌行为，通选取受控参数，利用非线性反馈控制方法使系统的混沌行为得到有效控制。本发明不仅使系统混沌动力学行为得到了改善，还保留系统原有的动力学特性。将混沌搜索算法与蚁群算法相结合，实现对PID控制参数寻优，使混沌蚁群算法不仅具备较强全局优化能力，同时还加快了系统收敛速度，从而使控制系统性能得到明显提高。对于有效设计出船舶横摇运动的控制器设备具有较强的应用价值。
【IPC分类】B63B39-06, B63B39-00
【公开号】CN104527944
【申请号】CN201410653259
【发明人】于立君, 刘少英, 王辉, 陈佳, 张波波, 关作钰, 王正坤, 李灏
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年11月17日