穿浪双体船控制系统及其控制参数的在线整定方法
【专利摘要】本发明公开了一种穿浪双体船控制系统控制参数的在线整定方法，在穿浪双体船控制系统运行过程中，实时对比例因子行在线整定，采用整定后的比例因子、413、kp21和kp23产生控制量，实现穿浪双体船的姿态控制;所述整定方式为：通过对穿浪双体船船体的实际采集和处理，获取穿浪双体船运动过程中的纵摇角度、纵摇角速度、垂荡位移和垂荡速度这四个信号与各自给定信号的偏差，并输入模糊控制器，模糊控制器利用预先设定的模糊规则产生在线整定后的比例因子kpll、kpl3、kp21和kp23。使用本发明能够满足穿浪双体船在线控制参数自动调整的要求，提高控制方法对外部环境的自动适应能力，从而提局控制精度。
【专利说明】穿浪双体船控制系统及其控制参数的在线整定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于船舶航行自动控制系统设计领域，具体涉及一种穿浪双体船系统及其 控制参数的在线整定方法。
【背景技术】
[0002]穿浪双体船是近年来诞生的一种新船型，具有航速高、适航性好、吃水浅、耐波性 能优良、操纵灵活、甲板面宽敞、使用方便等特点，穿浪双体船因其优良的高速性和耐波性 获得了航运界广泛使用。但运营实践表明，与常规圆舭船或深V型船相比，穿浪双体船在垂 荡、横摇等特性方面的改善不明显，仍需进一步改善。航行自控减摇是改善穿浪双体船耐波 性的一种有效手段。但是，我国对穿浪双体船的研究主要侧重于船舶结构及其水动力设计， 针对穿浪双体船航行自控减摇的研究则较少。
[0003] 为此，一种可行的方式是建立比例控制器对穿浪双体船的前执行机构实时攻角 和后执行机构的实时攻角％进行控制，如图1所示，该比例控制器的输入参数是航行 状态下穿浪双体船船体的纵摇角度Θ、纵摇角速度:_、垂荡位移h和垂荡速度i分别与相应 控制指令的偏差，输出为前执行机构实时攻角〇^和后执行机构实时攻角（Xt,输出指令到 执行机构完成相应动作，实现对穿浪双体船纵摇和垂荡的减少或消除。
[0004] 穿浪双体船比例控制器的控制模型可写为如下形式：
[0005] u = -Kx (1)
[0006] 其中，输入量X = (Xi χ2 Χ3 χ4)，Xi为垂荡位移h，χ2为垂荡速度篇:? χ3为纵摇角 度9，χ4为纵摇角速度#丨控制向量为《 == Ζ，且a f为前执行机构攻角，a a为后执行机 构攻角；K为反馈增益矩阵： Γ_·η r kpU
[0007] &：=： : βρ-- %：23
[0008] kpll为前执行机构垂荡位移响应调节的比例因子；
[0009] kpl2为前执行机构垂荡速度响应调节的比例因子；
[0010] kpl3为前执行机构纵摇角度响应调节的比例因子；
[0011] kpl4为前执行机构纵摇角速度响应调节的比例因子；
[0012] kp21为后执行机构垂荡位移响应调节的比例因子；
[0013] kp22为后执行机构垂荡速度响应调节的比例因子；
[0014] kp23为后执行机构纵摇角度响应调节的比例因子；
[0015] kp24为后执行机构纵摇角速度响应调节的比例因子。
[0016] 穿浪双体船在波浪中的运动属于典型的不确定性系统，受风、浪、流等千扰因素和 航行工况等影响，难以获取精确的数学模型，而且，针对不同情况，上述反馈增益矩阵 K的 具体取值可能不同。因此采用固定的反馈增益矩阵K将会限制控制方法对外部环境的自动 适应能力，从而影响控制精度。
【发明内容】
[0017] 有鉴于此，本发明提供了 一种穿浪双体船纵摇及垂荡的控制参数在线整定方法， 能够满足穿浪双体船在线控制参数自动调整的要求，提高控制方法对外部环境的自动适应 能力，从而提高控制精度。
[0018] 该穿浪双体船控制系统控制参数的在线整定方法所采用的控制系统采用U二-ΚΧ 的控制模型；X = (Xl χ2 χ3 χ4)为控制器输入参数，Xl为垂荡位移，χ2为垂荡速度，χ3为纵 摇角度，χ4为纵摇角速度；控制向量为《 = Z ,: a f为前执行机构攻角，a a为后执行机构 L'^J
[1r 'jL· L· L· "f1 :/2i ;,Λ /14 kpll为前执行机构垂荡位移响应调节的 奪禪：心23?24」 比例因子，kpl2为前执行机构垂荡速度响应调节的比例因子，kpl3为前执行机构纵摇角度响 应调节的比例因子，kpl4为前执行机构纵摇角速度响应调节的比例因子，kp21为后执行机构 垂荡位移响应调节的比例因子，k p22为后执行机构垂荡速度响应调节的比例因子，kp23为后 执行机构纵摇角度响应调节的比例因子；k p24为后执行机构纵摇角速度响应调节的比例因 子； _9]在穿浪双体船控制系统运行过程中，实时对比例因子kpll、kpl3、k p21和kp23进行在 线整定，采用整定后的比例因子kpll、kpl3、kp21和k p23产生控制量，实现穿浪双体船的姿态控 制；
[0020] 所述整定方式为：通过对穿浪双体船船体的实际采集和处理，获取穿浪双体船运 动过程中的纵摇角度、纵摇角速度、垂荡位移和垂荡速度这四个信号与各自给定信号的偏 差，并输入模糊控制器，模糊控制器利用预先设定的模糊规则产生在线整定后的比例因子 kpu、kpl3、kp2i 和 kp23〇
[0021] 优选地，所述整定具体包括如下步骤：
[0022]步骤1、通过对穿浪双体船船体的实际采集，获取纵摇角度、纵摇角速度、垂荡位移 和垂荡速度，这四个信号与给定信号进行比较后获得相应偏差，然后采用相应的偏差增益 K1?K4分别进行规范处理，使得偏差的值域范围与模糊变量的论域吻合；
[0023]步骤2、采用三角形隶属函数和7段模糊子集对规范处理后的偏差进行模糊化，得 到偏差模糊值；
[0024]步骤3、采用偏差模糊值代入设定的模糊规则表进行模糊推理，得到调节后比例因 子的模糊值；其中，
[0025]纵摇角度偏差模糊值和纵摇角速度偏差模糊值代入第一模糊规则表得到调节后 比例因子kpl3的模糊值；
[0026]纵摇角度偏差模糊值和纵摇角速度偏差模糊值代入第二模糊规则表得到调节后 比例因子kp23的模糊值；
[0027]垂荡位移偏差模糊值和垂荡速度偏差模糊值代入第三模糊规则表得到调节后比 例因子kpll的模糊值；
[0028] 垂荡位移偏差模糊值和垂荡速度偏差模糊值代入第四模糊规则表得到调节后比 例因子kp21的模糊值； t〇〇29] 步骤4、对步骤3获得的调节后比例因子的模糊值解模糊，并采用输出增益Kul? Ku4对调节后比例因子的解模糊值进行处理，使得调节后比例因子的最终值符合其值域范 围。
[0030] 优选地，第一模糊规则表为：
[0031]
【权利要求】
1. 一种穿浪双体船控制系统控制参数的在线整定方法，所述穿浪双体船控制系统采用 U = -Kx的控制模型；X = (ΧΑΧΑ)为控制器输入参数，Χι为垂荡位移，x2为垂荡速度，x3 为纵摇角度，X4为纵摇角速度；控制向量为Ζ , α f为前执行机构攻角，a a为后执行 机构攻角;反馈增益矩阵f t，kpll为前执行机构垂荡位移响应调 ΙΛ? *ιβ 节的比例因子，kpl2为前执行机构垂荡速度响应调节的比例因子，kpl3为前执行机构纵摇角 度响应调节的比例因子，kpl4为前执行机构纵摇角速度响应调节的比例因子，kp21为后执行 机构垂荡位移响应调节的比例因子，k p22为后执行机构垂荡速度响应调节的比例因子，kp23 为后执行机构纵摇角度响应调节的比例因子；kp24为后执行机构纵摇角速度响应调节的比 例因子；其特征在于， 在穿浪双体船控制系统运行过程中，实时对比例因子kpll、kpl3、kp21和k p23进行在线整 定，采用整定后的比例因子kpll、kpl3、kp21和kp23产生控制量，实现穿浪双体船的姿态控制； 所述整定方式为：通过对穿浪双体船船体的实际采集和处理，获取穿浪双体船运动过 程中的纵摇角度、纵摇角速度、垂荡位移和垂荡速度这四个信号与各自给定信号的偏差，并 输入模糊控制器，模糊控制器利用预先设定的模糊规则产生在线整定后的比例因子k pll、 kpi3、kp2i 和 kp23〇
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述整定具体包括如下步骤： 步骤1、通过对穿浪双体船船体的实际采集，获取纵摇角度、纵摇角速度、垂荡位移和垂 荡速度，这四个信号与给定7[胃号进行比较后获得相应偏差，然后采用相应的偏差增益Κ1? Κ4分别进行规范处理，使得偏差的值域范围与模糊变量的论域吻合； 步骤2、采用三角形隶属函数和7段模糊子集对规范处理后的偏差进行模糊化，得到偏 差模糊值； 步骤3、采用偏差模糊值代入设定的模糊规则表进行模糊推理，得到调节后比例因子的 模糊值；其中， 纵摇角度偏差模糊值和纵摇角速度偏差模糊值代入第一模糊规则表得到调节后比例 因子kpl3的模糊值； 纵摇角度偏差模糊值和纵摇角速度偏差模糊值代入第二模糊规则表得到调节后比例 因子kp23的模糊值； 垂荡位移偏差模糊值和垂荡速度偏差模糊值代入第三模糊规则表得到调节后比例因 子kpll的模糊值； 垂荡位移偏差模糊值和垂荡速度偏差模糊值代入第四模糊规则表得到调节后比例因 子kp21的模糊值； 步骤4、对步骤3获得的调节后比例因子的模糊值解模糊，并采用输出增益Kul?Ku4 对调节后比例因子的解模糊值进行处理，使得调节后比例因子的最终值符合其值域范围。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一模糊规则表为：
第二模糊规则表、第三模糊规则表和第四模糊规则表为：
其中，顺、丽、肥、20、？5、？1、？3依次分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。
4· 一种穿浪双体船控制系统，其特征在于，包括：在线整定单元和控制单元； 所述控制单兀，接收输入参数X = (Xi χ2 χ3 X4)，Xl为垂荡位移，X2为垂荡速度，x3为 纵摇角度，X4为纵摇角速度；代入控制模型u = -Kx后，输出控制向量1= 施加到前执 1?] 行机构和后执行机构，Of为前执行机构攻角，Cta为后执行机构攻角； 飞 k k k · 其中，反馈增益矩阵瓦=/2 p,3 ,kpll为前执行机构垂荡位移响应调节 _%2Ι ^ρ?Ι %23 %24_ 的比例因子，kpl2为前执行机构垂荡速度响应调节的比例因子，kpl3为前执行机构纵摇角度 响应调节的比例因子，kpl4为前执行机构纵摇角速度响应调节的比例因子，kp21为后执行机 构垂荡位移响应调节的比例因子，k p22为后执行机构垂荡速度响应调节的比例因子，kp23为 后执行机构纵摇角度响应调节的比例因子；k p24为后执行机构纵摇角速度响应调节的比例 因子；其中，比例因子kpll、kpl3、k p21和kp23由在线整定单元在线整定； 所述在线整定单元，根据穿浪双体船纵摇角度、纵摇角速度、垂荡位移、垂荡速度这四 个信号与各自给定信号的偏差，采用模糊控制器中预先设定的模糊规则产生在线整定后的 比例因子kpll、k pl3、kp21和kp23，发送给控制单元。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述在线整定单元具体包括：第一增益变换 模块、模糊化模块、模糊推理模块、解模糊模块和第二增益变换模块； 第一增益变换模块，用于对穿浪双体船纵摇角度、纵摇角速度、垂荡位移和垂荡速度这 四个信号的偏差分别采用相应的偏差增益K1?K4进行规范处理，使得偏差的值域范围与 模糊变量的论域吻合； 模糊化模块，用于采用三角形隶属函数和7段模糊子集对规范处理后的偏差进行模糊 化，得到偏差模糊值； 模糊推理模块，用于采用所述偏差模糊值代入设定的模糊规则表，得到调节后比例因 子的模糊值；其中，纵摇角度偏差模糊值和纵摇角速度偏差模糊值代入第一模糊规则表得 到调节后比例因子kpl3的模糊值；纵摇角度偏差模糊值和纵摇角速度偏差模糊值代入第二 模糊规则表得到调节后比例因子k p23的模糊值；垂荡位移偏差模糊值和垂荡速度偏差模糊 值代入第三模糊规则表得到调节后比例因子kpll的模糊值；垂荡位移偏差模糊值和垂荡速 度偏差模糊值代入第四模糊规则表得到调节后比例因子k p21的模糊值； 解模糊模块，用于对模糊推理模块获得的调节后比例因子的模糊值解模糊； 弟一增?变换模块，用于米用输出增益Ku对解模糊模块产生的调节后比例因子的解 模糊值进行处理，使得调节后比例因子的最终值符合其值域范围。
【文档编号】G05B23/02GK104216398SQ201410431732
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】胥文清, 魏青, 王硕威, 王妞仙, 裴雪兵 申请人:中国舰船研究设计中心