一种基于前馈动态矩阵控制算法的两对鳍减摇系统控制方法与流程

本发明涉及船舶减摇和两对鳍减摇系统
技术领域：
，尤其涉及一种基于前馈动态矩阵控制算法的两对鳍减摇系统控制方法。
背景技术：
：船舶在水上航行过程中，在海浪的作用下将会产生六个自由度的运动，其中横摇运动最为剧烈，对船舶的影响也最为严重，因此，船舶减摇问题一直是人们关注的热点。目前最常用的船舶减摇装置是减摇鳍和减摇水舱，但各自在应用上都有缺点。两对鳍减摇系统的发明，在很大程度上弥补了单个减摇鳍在船舶减摇方面的不足，对于1000吨以上较大型船舶，根据减摇需要，往往安装两对减摇鳍进行减摇。然而，两对鳍在工作的过程中，前鳍对后鳍存在严重的水动力干扰，这影响到两对鳍整体减摇效果。对于两对减摇鳍系统，其减摇效果主要取决于控制策略的优劣。因此，对于该干扰，需要采用一定的方法来减小前鳍的干扰对后鳍的影响。1988年，李积德以两对或多对鳍为研究对象，对其进行水动力分析，在理论上研究两鳍间工作机理，并通过实验分析鳍间距等，寻求最优的减摇鳍安装位置，同时对鳍的机械结构进行设计优化，以减小两者间的扰动作用。涡格法对研究这一问题有很大帮助。许叙遥则针对系统的扰动分析，对控制器进行设计改进，对减摇鳍的升力系数进行分析，研究其耦合关系，进行定量分析，最后提出一种顺馈补偿控制进行优化控制，来减小前后鳍间的水动力扰动。但这些研究只是对系统的影响进行削弱，或在一定假设条件下对其进行优化，具有一定局限性。本发明对两对鳍减摇系统数学模型进行研究分析，考虑前鳍与后鳍之间的扰动，利用动态矩阵控制和前馈补偿控制结合，消除两对鳍减摇系统中前鳍对后鳍的水动力扰动影响。本发明将后鳍升力损失引入数学模型，利用动态矩阵控制和前馈补偿控制结合，消除两对鳍系统中前后鳍间的扰动损失。对前鳍系统进行升力预测跟踪，与后鳍升力进行比较获得实时升力损失值，再用前馈补偿对其进行控制，使前后鳍之间的扰动对两对鳍系统产生的总扶正力矩没有影响，可以实现对控制系统的实时优化，减小系统时延、滞后，为两对鳍减摇系统控制器的设计奠定基础。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种基于前馈动态矩阵控制算法的两对鳍减摇系统控制方法，采用动态矩阵控制方法对前鳍系统进行升力预测跟踪，与后鳍升力进行比较获得实时升力损失值，再用前馈补偿对其进行控制，消除前后鳍之间的扰动对两对鳍系统产生的影响，该方法可以实现对控制系统的实时优化，减小系统时延、滞后。本发明的目的是这样实现的：包括如下步骤：(1)设计动态矩阵控制器：动态矩阵控制包含预测模型、滚动优化、反馈校正三个部分：(1.1)设计预测模型首先对阶跃响应进行等间隔采样，获得控制实现中需要的样本值ai＝a(iT)，i＝1,2,…，其中T为采样周期；设在k时刻加入控制变量Δu(k)，并且这个值在将来的M个采样时间间隔逐渐变化，即Δu(k)，Δu(k+1)，…，Δu(k+M-1)，M≤P，在k时刻后的P个时刻的预测输出模型为：Ym(k+1)＝Y0(k+1)+A·ΔU(k)式中，Ym(k+1)＝[ym(k+1),ym(k+2),…,ym(k+P)]T，Y0(k+1)＝[y0(k+1),y0(k+2),…,y0(k+P)]T，ΔU(k)＝[Δu(k+1),Δu(k+2),…,Δu(k+M-1)]T，M为控制时域长度，P为预测时域长度；Y0(k+1)作为模型输出初值是由k时刻以前Δu(k)序列作用在系统中的效果；如果过程由稳态启动，则可取y0(k+i)＝y(k)；否则：Ym(k+1)＝AΔU(k)+A0ΔU(k-1)；式中ΔU(k-1)＝[Δu(k-N),Δu(k-N+1),…,Δu(k-1)]T，A0=a^Na^Na^N-1a^N-2...a^3a^2a^Na^Na^Na^N-1...a^4a^3··········...········a^Na^Na^Na^N...a^N-1...a^P+2a^P+1P×N;]]>(1.2)设计反馈校正Yp(k+1)＝Ym(k+1)+λ[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0ΔU(k-1)+λe(k)(2)式中，Ym(k+1)为模型的预测输出，Yp(k+1)为反馈校正后的预测输出，Yp(k+1)＝[yp(k+1),yp(k+2),…,yp(k+P)]T，λ＝[λ1,λ2,…,λP]T，λ的元素可根据实际需要确定；(1.3)滚动优化模型预测输出的系统二次型滚动优化目标为：J=||Yd(k+1)-YP(k+1)||Q2+||ΔU(k)||2rj]]>Q＝diag[q1,q2,…,qp]，Q为误差权矩阵；R＝diag[r1,r2,…,rM]，R为控制权矩阵；(2)选择动态矩阵控制参数；动态矩阵控制在控制过程中，变化的参数主要有模型动态参数ai，模型动态参数ri和校正参数hi；ai受T的限制，ri受T、P、M、Q、R的影响；(2.1)设计采样周期T和模型长度NN的选定，满足aN≈as；在实际应用中，还要考虑计算机的性能问题，因此，一般选择合理的采样周期，使系统模型长度N在20～50范围内；根据N的范围，设定采样周期T；(2.2)设计时域长度P根据系统二次型滚动优化指标，优化时域长度P，考虑式(3)所示的优化指标，使系统二次型滚动优化指标达到最小；(2.3)设计控制时域长度M和控制权矩阵R对具有简单动态响应的对象，选择M＝1～2；对于含有振荡等复杂响应的对象，则选择M＝4～8，且M≤P；R＝diag(r1,...,rM)中，ri选为同一个数，记为r；R主要是用来对Δu(k)的大小变化进行限制，以免加入变化过快的控制；一般情况下，选取r＝0.1；(2.4)设计误差权矩阵QQ为一个对角矩阵，Q＝diag(q1,…,qP)，权系数qi是对应误差项的值在所有指标中的权重值，qi选0或1；(3)采用前馈补偿控制后鳍升力；在确定后鳍实时升力损失之后，通过前馈补偿控制，实时调整后鳍转角，增大后鳍的转角，以增大后鳍的有效鳍角，进而补偿后鳍升力损失；(3.1)控制系统GS(s)接收船舶横摇角速度Wq(s)，根据所获取数据计算前后鳍控制参数，将参数分别传给前后鳍随动系统GB(s)和GF(s)；(3.2)系统根据动态矩阵控制预测模型计算前鳍对后鳍的扰动量β，并将其传递给前馈补偿控制器Gff(s)；(3.3)前馈补偿控制器Gff(s)根据扰动量计算补偿差值，将差值反馈给后鳍随动系统GB(s)；(3.4)后鳍随动系统GB(s)将控制系统GS(s)和前馈补偿控制器Gff(s)的参数加和，最终得到后鳍转动角度，作用于后鳍；(3.5)前后鳍传感器实时传输前后鳍力矩，当前后鳍力矩不相等时，重复步骤(3.2)、(3.3)、(3.4)；当前后鳍力矩相等时，进行步骤(6)；(3.6)船舶横摇角减小后，船舶反馈横摇角速度Wq(s)至控制系统GS(s)，重复步骤(3.1)至(3.6)；实现前馈完全补偿的条件是：Gff(s)=-GPD(s)GB(s)]]>扰动量即可视为后鳍升力损失的大小，由动态矩阵控制的预测输出值与后鳍升力进行比较获得；GPD(s)利用升力反推鳍转角，再通过拉氏变换求的；在前后鳍系统型号相同的情况下，GB(s)与前鳍传函一致。本发明的有益效果在于：(1)本发明首次将动态矩阵控制方法应用于两对鳍减摇系统，通过预测跟踪获得前鳍升力损失值。该方法能够有效提高前鳍升力损失值的计算效率，从而提高整个控制系统的工作效率。(2)本发明采用前馈补偿控制与动态矩阵控制方法结合的方式设计控制器，实现后鳍转角实时调整，进而补偿后鳍升力损失。该方法可以实现对控制系统的实时优化，减小系统时延、滞后。附图说明图1两对鳍减摇系统控制原理框图；图2两对鳍减摇系统前馈调节原理图；图3基于前馈动态矩阵控制算法的两对鳍减摇系统控制流程图图4海浪随时间历程(h1/3＝3.3m)；图5未优化时前后鳍力矩；图6后鳍力矩损失曲线；图7优化后前后鳍力矩.具体实施方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：基于前馈动态矩阵控制算法的两对鳍减摇系统控制方法设计，包括采用动态矩阵控制方法获得前鳍实时升力损失值和利用前馈补偿控制后鳍转角两部分。其特点是：动态矩阵控制方法可以对前鳍系统进行升力预测跟踪，通过与后鳍升力进行比较，可以获得实时升力损失值；在确定实时升力损失值之后，通过前馈补偿控制，可以实现后鳍转角的实时调整，控制增大后鳍的转角，以改变后鳍的有效鳍角，进而达到补偿后鳍升力损失的目的。本发明包括如下步骤：(1)建立两对鳍减摇系统模型，以海浪波倾角作为两对鳍减摇系统输入。(2)根据动态矩阵控制原理，结合两对鳍减摇系统模型，设计动态矩阵控制器。选择动态矩阵控制参数，参数主要包括：采样周期T、模型长度N、优化时域长度P、控制时域长度M、控制权矩阵R、误差权矩阵Q、校正参数向量h。(3)利用前馈补偿控制方法，结合动态矩阵控制方法，对后鳍升力进行优化控制。在确定前鳍实时升力损失之后，通过前馈补偿控制，实现后鳍转角实时调整。增大后鳍的转角，以增大后鳍的有效鳍角，进而达到补偿后鳍升力损失的目的。本发明提出的一种基于前馈动态矩阵控制算法的两对鳍减摇系统控制方法具体包括以下几个步骤。步骤一：设计动态矩阵控制器。根据动态矩阵控制原理，结合两对鳍减摇系统数学模型，设计动态矩阵控制器。动态矩阵控制包含预测模型、滚动优化、反馈校正三个部分。(1)设计预测模型首先对阶跃响应进行等间隔采样，获得控制实现中需要的样本值ai＝a(iT)，i＝1,2,…，其中T为采样周期。设在k时刻加入控制变量Δu(k)，并且这个值在将来的M个采样时间间隔逐渐变化，即Δu(k)，Δu(k+1)，…，Δu(k+M-1)，M≤P，在k时刻后的P个时刻的预测输出模型为：Ym(k+1)＝Y0(k+1)+A·ΔU(k)(1)式中，Ym(k+1)＝[ym(k+1),ym(k+2),…,ym(k+P)]T，Y0(k+1)＝[y0(k+1),y0(k+2),…,y0(k+P)]T，ΔU(k)＝[Δu(k+1),Δu(k+2),…,Δu(k+M-1)]T，M——控制时域长度，P——预测时域长度。Y0(k+1)作为模型输出初值是由k时刻以前Δu(k)序列作用在系统中的效果。如果过程由稳态启动，则可取y0(k+i)＝y(k)。否则：Ym(k+1)＝AΔU(k)+A0ΔU(k-1)。式中ΔU(k-1)＝[Δu(k-N),Δu(k-N+1),…,Δu(k-1)]T，A0=a^Na^Na^N-1a^N-2...a^3a^2a^Na^Na^Na^N-1...a^4a^3··········...········a^Na^Na^Na^N...a^N-1...a^P+2a^P+1P×N.]]>(2)设计反馈校正Yp(k+1)＝Ym(k+1)+λ[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0ΔU(k-1)+λe(k)(2)式中，Ym(k+1)为模型的预测输出，Yp(k+1)为反馈校正后的预测输出，Yp(k+1)＝[yp(k+1),yp(k+2),…,yp(k+P)]T，λ＝[λ1,λ2,…,λP]T，λ的元素可根据实际需要确定。(3)滚动优化模型预测输出的系统二次型滚动优化目标为：J=||Yd(k+1)-YP(k+1)||Q2+||ΔU(k)||2rj---(3)]]>Q＝diag[q1,q2,…,qp]，Q为误差权矩阵。R＝diag[r1,r2,…,rM]，R为控制权矩阵。步骤二：选择动态矩阵控制参数。动态矩阵控制在控制过程中，变化的参数主要有模型动态参数ai，模型动态参数ri和校正参数hi。ai受T的限制，ri受T、P、M、Q、R的影响。(1)设计采样周期T和模型长度NN的选定，满足aN≈as。在实际应用中，还要考虑计算机的性能问题，因此，一般选择合理的采样周期，使系统模型长度N在20～50范围内。根据N的范围，设定采样周期T。(2)设计时域长度P根据系统二次型滚动优化指标，优化时域长度P，考虑式(3)所示的优化指标，使系统二次型滚动优化指标达到最小。(3)设计控制时域长度M和控制权矩阵R对具有简单动态响应的对象，选择M＝1～2；对于含有振荡等复杂响应的对象，则选择M＝4～8，且M≤P。R＝diag(r1,…,rM)中，ri选为同一个数，记为r。R主要是用来对Δu(k)的大小变化进行限制，以免加入变化过快的控制。一般情况下，选取r＝0.1。(4)设计误差权矩阵QQ为一个对角矩阵，Q＝diag(q1,…,qP)，权系数qi是对应误差项的值在所有指标中的权重值，qi选0或1。步骤三：采用前馈补偿控制后鳍升力。在确定后鳍实时升力损失之后，通过前馈补偿控制，实时调整后鳍转角，增大后鳍的转角，以增大后鳍的有效鳍角，进而补偿后鳍升力损失。两对鳍减摇系统前馈调节原理，如图2所示，控制流程图，如图3所示。图2中，GS(s)为控制器传递函数，Gc(s)为船舶传递函数，Wq(s)为横摇角速度传感器传递函数GB(s)为后鳍随动系统的传递函数，GF(s)为前鳍鳍随动系统的传递函数，Gff(s)为前馈补偿器的传递函数，GPD(s)为前鳍的鳍角干扰到后鳍鳍角的传递环数，KC1为前鳍产生的控制力矩；KC2为后鳍产生的扶正力矩。具体调节步骤为：(1)控制系统GS(s)接收船舶横摇角速度Wq(s)，根据所获取数据计算前后鳍控制参数，将参数分别传给前后鳍随动系统GB(s)和GF(s)。(2)系统根据动态矩阵控制预测模型计算前鳍对后鳍的扰动量β，并将其传递给前馈补偿控制器Gff(s)。(3)前馈补偿控制器Gff(s)根据扰动量计算补偿差值，将差值反馈给后鳍随动系统GB(s)。(4)后鳍随动系统GB(s)将控制系统GS(s)和前馈补偿控制器Gff(s)的参数加和，最终得到后鳍转动角度，作用于后鳍。(5)前后鳍传感器实时传输前后鳍力矩，当前后鳍力矩不相等时，重复步骤(2)、(3)、(4)。当前后鳍力矩相等时，进行步骤(6)。(6)船舶横摇角减小后，船舶反馈横摇角速度Wq(s)至控制系统GS(s)，重复步骤(1)至(6)。根据图2，可得实现前馈完全补偿的条件是：Gff(s)=-GPD(s)GB(s)---(4)]]>扰动量即可视为后鳍升力损失的大小，这部分可由动态矩阵控制的预测输出值与后鳍升力进行比较获得。图2中GPD(s)可利用升力反推鳍转角，再通过拉氏变换求的。在前后鳍系统型号相同的情况下，GB(s)与前鳍传函一致。步骤四：实例仿真为验证本发明的控制效果，在MATLAB中建立数学模型，对基于前馈动态矩阵控制算法的两对鳍减摇系统进行仿真，系统控制流程图如图3所示。补偿后鳍升力损失的控制流程归纳为：首先根据输入的海浪波倾角，由控制器控制前鳍转角，再由动态矩阵控制对前鳍力矩进行预测跟踪，确定后鳍力矩实时损失值，再通过前馈矩阵控制对后鳍采用增大鳍转角的方式进行补偿控制。利用动态前馈控制算法实现对两对鳍系统的扰动补偿控制，以补偿在两对鳍同时工作情况下后鳍升力的损失，并对其进行仿真研究。船舶和减摇鳍仿真需要设置的相关数据如下：排水量D＝1500t，船长L＝98.0m，船宽B＝10.2m，吃水T＝3.1m，横稳心高h＝1.15m，振动周期Tφ＝7.0s，装两对不可收放式减摇鳍，均为NACA-0015型鳍，前鳍弦长c1＝2m，静特征数ΦCT1＝3.2°，后鳍弦长c2＝2.4m，静特征数ΦCT2＝5°，前后鳍的展弦比均为λ＝0.7，前后鳍的减摇力臂均设定lf＝5.6m，鳍设计航速为V＝18kn，前后鳍间距离大小设定为前鳍弦长的10倍。根据给出的船舶参数，对两对鳍系统进行仿真设计分析。在对两对鳍减摇系统中前后鳍升力仿真中，采用有义波高为h1/3＝3.3m的海浪进行仿真，海浪随时间的遍历如图4所示。对优化前后的前后鳍系统力矩进行仿真研究。得到如图5、图6示的仿真结果。其中，图5未优化时前后鳍上力矩的仿真，可以明显看到，由于前鳍对后鳍水动力干扰的存在，使得后鳍力矩明显小于前鳍。通过前馈动态矩阵控制，对后鳍水动力损失进行补偿后，前鳍与后鳍力矩基本相同。从图5和图7可以明显看到，经前馈动态矩阵控制的作用，使后鳍转角按照升力损失来增大或减小，可以使后鳍上的力矩与前鳍扰动无关，改善后鳍系统。进而使前后两对鳍系统可以获得较好的减摇效果，同时也使两对鳍减摇系统控制器设计更加简单有效。由仿真曲线可以看出，动态矩阵控制对前鳍力矩的预测跟踪，在对后鳍力矩进行补偿的控制过程中，也消除了后鳍的滞后。当前第1页1 2 3