本发明涉及高速船舶运动姿态控制技术领域，具体地说是一种基于h∞回路成形理论的高速渡轮垂向运动控制方法。
背景技术：
现在海运界都在致力于发展高度船舶，高速船舶在波浪中高速航行时，由海浪引起的船舶垂向运动，包括垂荡和纵摇，会形成垂向加速度，这个垂向加速度太大可能会使船上的乘客晕船甚至还会对船舶的安全性构成极大的威胁。
为了有效控制和减小垂荡和纵摇所引起的垂向加速度，船舶制造商往往都会在高速船船舶上安装主动的控制翼面作为执行机构，最常用的是安装在船艏附近的t型水翼和船艉的艉压浪板，通过设计多变量垂向运动控制器，利用t型水翼和船艉的艉压浪板产生的控制作用来抵消或大大减弱海浪引起的垂荡和纵摇运动，从而降低垂向加速度以防止晕船。目前，对高速船舶垂向运动镇定和控制方法的研究，一直是船舶运动姿态控制领域研究的热点内容。
目前对于船舶垂向运动姿态的控制，国内外都有一定的研究，但尚未发现应用h∞回路成形方法进行垂向运动控制的文献和专利成果。
目前国外文献大都是应用两个执行机构，对高速船舶设计多变量控制器。相关文献有：2000年，esteban等提出应用t型水翼和艉压浪板来控制高速渡轮的垂向运动(垂荡和纵摇)，并设计了经典的pid控制器。2001年和2002年，aranda等给出了高速渡轮的pd控制器，qft控制器，并通过μ分析的方法对设计结果进行了鲁棒性分析。2004年，jesus等以t型水翼和艉压浪板为执行机构，设计了高速渡轮的多变量解耦pd控制器，并以晕船率作为指标函数，对控制器参数进行了优化。为了简化控制，还有一些文献是只对t型水翼进行控制，如2005年，aranda等将艉压浪板设定在一个固定角度，只对t型水翼进行控制，用它来单独控制纵摇运动，并设计了qft单变量控制器。2015年，basturk等采用自适应控制策略，单独采用t型水翼对船舶的纵摇运动进行了控制。目前国外文献中无论是经典的pd，pid控制，还是完全基于定量反馈理论的qft控制，以及单独对纵摇的自适应控制，都没有综合考虑鲁棒性、运动姿态之间的耦合作用、对扰动的抑制和对晕船率的控制等性能指标的系统性的设计要求。
国内对船舶垂向运动姿态控制及相关的研究相对少一些，主要文献有：2003年，吴静萍等采用stf方法，对双体船纵摇和垂荡运动进行了理论计算。2004年和2005，任俊生等分别状态反馈和输出反馈h∞算法，研究了高速水翼双体船运动姿态控制器的设计。2012年，茅云生对带t型水翼的穿浪船运动姿态控制系统进行了研究，应用了鲁棒控制理论中的μ综合设计思想设计了控制器。国内的文献中，对于采用t型水翼和艉压浪板执行机构对高速船舶进行运动姿态控制的文献基本没有。上述几篇文献也只是给出一些简单的控制方法，缺乏针对系统性设计要求的控制和设计方法。
技术实现要素：
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种采用复数极点补偿的设计思想的基于h∞回路成形理论的高速渡轮垂向运动控制方法。
为解决上述技术问题，本发明一种基于h∞回路成形理论的高速渡轮垂向运动控制方法，包括以下步骤：
步骤一：根据高速渡轮对象的数学模型，按复数极点补偿的方法，选取艉压浪板权函数w1以及t型水翼权函数w2的结构，并设定权函数中的可调参数初值，权函数w1和w2的传递函数结构如下：
其中，权函数w1和w2中的s为一复变量，在s复平面取值；艉压浪板权函数w1中的参数k1为可调增益，ξ1为二阶环节的可调阻尼比，ωn1为船舶垂荡回路对象传递函数g11中二阶振荡环节的自然频率；t型水翼权函数w2中的参数k2为可调增益，ξ2为二阶环节的可调阻尼比，ωn2为船舶纵摇回路对象传递函数g22中二阶振荡环节的自然频率；
步骤二：利用权函数w1对高速渡轮垂荡回路对象传递函数g11进行加权和回路成形处理，定义垂荡回路期望的开环回路成形对象gs1，gs1＝w1.g11，然后针对此gs1进行h∞设计，通过求解h∞优化问题得到控制器kf∞，进而得到最终的艉压浪板控制器gf(s)，满足：gf(s)＝kf∞(s)·w1(s)；
利用权函数w2对高速渡轮纵摇回路对象传递函数g22进行加权和回路成形处理，定义纵摇回路期望开环回路成形对象gs2，gs2＝w2.g22，然后针对此gs2进行h∞设计，通过求解h∞优化问题得到控制器kt∞，最终的t型水翼控制器gt(s)满足：gt(s)＝kt∞(s)·w2(s)；
步骤三：引入海浪干扰对整个闭环系统进行仿真，然后采集垂荡位移信号h(t)，这里t是时间变量，以h(t)为输入，结合步骤二设计的艉压浪板控制器gf(s)，计算艉压浪板控制器输出uf(t)；
采集纵摇角信号p(t)，以p(t)为输入，结合步骤二设计的t型水翼控制器gt(s)，计算t型水翼控制器输出ut(t)；
步骤四：对垂荡和纵摇回路控制作用进行综合，加入对象的耦合作用，绘制垂荡和纵摇回路的灵敏度特性及开环奈奎斯特图，并计算加入控制器前后的最坏垂向加速度的减小效果和晕船率msi，然后判断最坏垂向加速度的减小效果和晕船率msi是否满足要求，当满足指标要求，结束；当不满足指标要求，根据对最坏垂向加速度的减小效果和晕船率msi要求的判断结果，调节权函数参数k1，ξ1，k2和ξ2的值，并返回步骤2。
本发明一种基于h∞回路成形理论的高速渡轮垂向运动控制方法还包括:
1.步骤二中的控制器kt∞和kf∞的h∞优化问题求解公式分别为：
其中，i为单位矩阵，ε1和ε2为相应的h∞范数的倒数；
2.步骤四中的最坏垂向加速度wva和晕船率msi的定义及计算公式为：
最坏垂向加速度，是在船只质量中心前方40米处所选定的位置的垂向加速度，计算公式如下：
式中p为纵摇角，h为船舶的垂荡位移，d表示微分算子，t表示时间；
晕船率msi的计算公式为：
上式中j是最坏垂向加速度wva的平均值，erf为误差函数，μmsi是和海浪主导频率ωe有关的函数，g为重力加速度；
μmsi的经验计算公式为：μmsi＝-0.819+2.32(log10(ωe))2；
误差函数的计算公式为：
3.步骤四中的最坏垂向加速度wva和晕船率msi满足以下指标要求：
在海浪和船只的特性分布的主要频带内，即频率ω＝1～2rad/s，最坏垂向加速度wva的减小率γ>45％，msi<0.5。
4.步骤四中开环奈奎斯特图满足鲁棒性要求：开环奈奎斯特图离-1点距离大于0.5，在人的敏感频率点ω＝1rad/s和海浪的主导频率ωe处，开环特性都在右半平面。
5.步骤四中的灵敏度特性和开环奈奎斯特图满足扰动抑制要求：在海浪主导频率ωe系统的开环增益最大，灵敏度幅值的最小值|smin|低于-7db。
本发明的有益效果：本发明基于复数极点补偿的设计思想，设计了参数可调的权函数结构，并根据灵敏度指标、晕船率指标，最坏垂向加速度减小率指标及鲁棒性等综合性和系统性的设计要求设计了h∞回路成形控制器，使系统在满足性能要求的同时保证了鲁棒性；设计过程中用艉压浪板主要控制垂荡，t型水翼主要控制纵摇，最后对二者的控制进行了综合，使得二者的控制相互辅助，大大提高了控制性能，降低了晕船率。本发明专利结构简单，易于实现，能很好满足实际工程应用的需要。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为整个闭环系统的结构框图。
图3为h∞回路成形设计结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的描述：
结合图1～3，本发明包括以下几个步骤：
步骤一：结合图2，用g表示高速渡轮对象的传递函数矩阵g＝[g11,g12；g21,g22]，其中g11表示垂荡回路的对象传函,g22表示纵摇回路的对象传函，g12和g21是垂荡和纵摇回路之间的耦合传函。
根据高速渡轮传递函数矩阵g，求取垂荡回路对象特性g11和g12中二阶振荡环节的自然频率ωn1；
按复数极点补偿的方法，在艉压浪板的权函数w1分子中加入具有相同自然频率ωn1，阻尼比ξ1可调的二阶环节以用来补偿对象中的复数极点；
设定权函数可调增益k1，并加入相应阶次的高频衰减惯性环节，选定最终的权函数w1结构如下：
求取纵摇回路对象特性g21和g22中二阶振荡环节的自然频率ωn2；
按复数极点补偿的方法，在t型水翼的权函数w2分子中加入具有相同自然频率ωn2，阻尼比ξ2可调的二阶环节补偿对象中的复数极点；
设定权函数可调增益k2，并加入相应阶次的高频衰减惯性环节，选定最终的权函数w2结构如下：
初步给定权函数w1和w2的参数值k1，ξ1，k2和ξ2。
步骤二：根据附图3的h∞回路成形设计结构示意图，定义垂荡回路期望开环回路成形对象gs1，gs1＝w1.g11；
以gs1作为新的对象进行h∞设计，通过求解如下的优化问题得到h∞控制器kf∞：
根据上面的kf∞，给出最终的艉压浪板控制器传递函数gf(s)，gf＝kf∞·w1；
根据附图3的h∞回路成形设计结构示意图，定义纵摇回路期望开环回路成形对象gs2，gs2＝w2.g22；
以gs2作为新的对象进行h∞设计，通过求解如下的优化问题得到h∞控制器kt∞：
根据上面的kt∞，给出最终的艉压浪板控制器传递函数gt(s)，gt＝kt∞·w2；
步骤三：引入海浪干扰w及扰动通道传递函数pwh和pwp(这里pwh表示海浪波高到垂荡位移的传递函数，pwp表示海浪波高到纵摇角的传递函数)，结合附图2，对整个闭环系统进行仿真和计算。
采集垂荡位移信号h(t)，以h(t)为输入，计算艉压浪板控制器输出uf(t)。
用h(s)表示h(t)的拉普拉斯变换，按下式计算输出信号uf(t)的拉普拉斯变换，
uf(s)＝gf(s)h(s)(5)
然后对uf(s)进行拉普拉斯反变换，得到uf(t)；
采集纵摇角信号p(t)，以p(t)为输入，计算t型水翼控制器输出ut(t)；
用p(s)表示p(t)的拉普拉斯变换，按下式计算输出信号ut(t)的拉普拉斯变换，
ut(s)＝gt(s)p(s)(6)
然后对ut(s)进行拉普拉斯反变换，得到ut(t)。
步骤四：根据高速渡轮对象模型及艉压浪板控制器和t型水翼控制器的控制作用，对垂荡和纵摇回路的控制作用进行综合，加入对象的耦合作用，绘制垂荡和纵摇回路的灵敏度特性及开环奈奎斯特(nyquist)图。判断是否满足以下指标要求：(1)鲁棒性要求：开环nyquist图离-1点距离大于0.5，大部分开环特性都分布在虚轴的右侧，在人的敏感频率点ω＝1rad/s和海浪的主导频率ωe处，开环特性都在右半平面且远离-1点；(2)扰动抑制要求：在海浪主导频率ωe附近系统的开环增益最大，以保证此频率范围内的最大扰动抑制特性，要求灵敏度幅值的最小值|smin|要低于-7db，即保证垂荡和纵摇的减小效果高于45％。
设定船舶质量中心前方所选定的位置(例如40米)处的垂向加速度作为最坏垂向加速度
定义晕船率指标msi，
然后根据最坏垂向加速度均值j绘制以频率为横坐标的msi曲线，并计算海浪主导频率ωe处的msi；
其中μmsi的经验计算公式为：
μmsi＝-0.819+2.32(log10(ωe))2(8)
误差函数的计算公式为：
判断晕船率msi和wva的减小率γ是否满足扰动衰减能力及晕船率指标要求：(1)在ω＝1～2rad/s范围内，γ>45％；(2)msi<0.5；
最后根据对各项指标要求的判断结果，调节权函数参数k1，ξ1，k2和ξ2的值，若不能满足全部指标要求，则返回第二步重新设计控制器，直到满足指标要求为止。
本发明具体实施方式还包括：
步骤1：根据高速渡轮对象的数学模型，按复数极点补偿的方法，选取艉压浪板权函数w1以及t型水翼权函数w2的结构，并设定权函数中的可调参数初值。权函数w1和w2的传递函数结构如下：
权函数w1和w2中的s为一复变量，在s复平面取值。艉压浪板权函数w1中的参数k1为可调增益，ξ1为二阶环节的可调阻尼比，ωn1为船舶垂荡回路对象传递函数g11中二阶振荡环节的自然频率；t型水翼权函数w2中的参数k2为可调增益，ξ2为二阶环节的可调阻尼比，ωn2为船舶纵摇回路对象传递函数g22中二阶振荡环节的自然频率。
步骤2：利用权函数w1对高速渡轮垂荡回路对象g11进行加权和回路成形处理，定义垂荡回路期望的开环回路成形对象gs1，gs1＝w1.g11，然后针对此gs1进行h∞设计，通过求解h∞优化问题得到控制器kf∞，进而得到最终的艉压浪板控制器gf(s)，gf(s)＝kf∞(s)·w1(s)。
利用权函数w2对高速渡轮纵摇回路对象g22进行加权和回路成形处理，定义纵摇回路期望开环回路成形对象gs2，gs2＝w2.g22，然后针对此gs2进行h∞设计，通过求解h∞优化问题得到控制器kt∞，最终的t型水翼控制器gt(s)为gt(s)＝kt∞(s)·w2(s)。
步骤3：引入海浪干扰对整个闭环系统进行仿真，然后采集垂荡位移信号h(t)，这里t是时间变量，以h(t)为输入，结合上面设计的艉压浪板控制器gf(s)，计算艉压浪板控制器输出uf(t)。
采集纵摇角信号p(t)，以p(t)为输入，结合上面设计的t型水翼控制器gt(s)，计算t型水翼控制器输出ut(t)。
步骤4：对垂荡和纵摇回路控制作用进行综合，加入对象的耦合作用，绘制垂荡和纵摇回路的灵敏度特性及开环nyquist图，并计算加入控制器前后的最坏垂向加速度(wva)的减小效果和晕船率指标msi。然后判断是否满足各项指标要求，根据对各项指标要求的判断结果，调节权函数参数k1，ξ1，k2和ξ2的值，并返回步骤2进行控制器的重新设计，直到满足指标要求为止。
本发明还可以包括：
步骤2中的控制器kt∞和kf∞的h∞优化问题求解公式分别为：
步骤4中的wva和msi的定义及计算公式为：
最坏垂向加速度，是在船只质量中心前方所选定的位置(例如40米)处的垂向加速度，计算公式如下：
式中p为纵摇角，h为船舶的垂荡位移，d表示微分算子，t表示时间。
msi的计算公式为
上式中j是最坏垂向加速度wva的平均值，erf为误差函数，μmsi是和海浪主导频率ωe有关的函数，g为重力加速度。
μmsi的经验计算公式为：μmsi＝-0.819+2.32(log10(ωe))2。
误差函数的计算公式为：
步骤4中的wva和msi需要满足以下指标要求：
在海浪和船只的特性分布的主要频带内，即频率ω＝1～2rad/s，尤其是1rad/s这个最敏感的频率附近，使得wva的减小率γ>45％，msi<0.5。
步骤4中开环nyquist图应满足鲁棒性要求：开环nyquist图离-1点距离大于0.5，大部分开环特性都分布在虚轴的右侧，在人的敏感频率点ω＝1rad/s和海浪的主导频率ωe处，开环特性都在右半平面且远离-1点；
步骤4中的灵敏度特性和开环nyquist图应满足扰动抑制要求：在海浪主导频率ωe附近系统的开环增益最大，以保证此频率范围内的最大扰动抑制特性，要求灵敏度幅值的最小值|smin|要低于-7db，即保证垂荡和纵摇的减小效果都高于45％。
本发明的目的在于提供一种基于h∞回路成形理论的高速渡轮垂向运动控制方法，包括：采用复数极点补偿的设计思想选取权函数w1，设计高速渡轮垂荡回路的期望开环回路成形对象gs1，进行h∞设计后，给出艉压浪板控制器传递函数gf(s)；采用复数极点补偿的设计思想选取权函数w2，设计高速渡轮纵摇回路的期望开环回路成形对象gs2，进行h∞设计后，给出t型水翼控制器传递函数gt(s)；引入海浪干扰，对闭环系统进行仿真；采集高速渡轮垂荡位移信号h(t)，以h(t)为输入，计算艉压浪板控制器输出uf(t)；采集高速渡轮纵摇角信号p(t)，以p(t)为输入，计算t型水翼控制器输出ut(t)；绘制系统灵敏度特性及开环nyquist图，并计算最坏垂向加速度wva和晕船率msi，看是否满足指标要求，若不满足，调整权函数参数并重新设计控制器，直到满足指标要求为止。本发明的h∞回路成形的方法是一种系统性的设计方法，在权函数的选择过程中，引入了复数极点补偿的设计思想，且在系统的整个设计过程中，结合指标要求对权函数参数和控制器进行设计，保证了系统既有较高的鲁棒稳定性又有最佳的性能。