一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定pid控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种减摇控制方法，具体地说是船舶减摇控制方法。
【背景技术】
[0002] 船舶在海上航行，由于海浪作用将产生六个自由度的运动，其中以横摇运动最为 剧烈。因此如何减摇一直是人们关注的热点问题，而减摇鳍和减摇水舱又是当今最常用的 船舶减摇装置，但各自在应用上有缺点。减摇鳍在船舶为高航速时减摇效果较好，低航速或 零航速几乎没有减摇效果。减摇水舱减摇能力有限，在某些海况下甚至有增摇作用。为克 服各自缺点，增加船舶耐波性，同时考虑装备减摇鳍和减摇水舱。
[0003] 减摇鳍一被动式减摇水舱综合减摇系统可以综合减摇鳍在船舶在高航速下减摇 效率高和被动式减摇水舱在零航速和低航速下具有减摇能力的优点。综合减摇系统可以在 全航速下工作，有效减小船舶横摇运动，提高船舶耐波性。但综合减摇系统的质量矩阵和刚 度矩阵存在耦合项，减摇鳍和被动式减摇水舱二者工作时相互影响。综合减摇系统减摇效 果很大程度上取决于控制方法的设计，一般采用经典的PID控制器，但PID控制只针对特定 海情有较好的减摇效果，由于船舶运动环境在一直变化，船速也不是常数，海情也在变化， 遭遇频率也在改变，每次航行负载情况也在变化，随着这些因素的改变，控制效果会明显降 低。因此在实际工程应用中效果不佳。
[0004] 而现如今的减摇装置，仅考虑船舶减摇，对船舶减药装置能量优化研究较少，甚至 为了减摇不惜牺牲大量主机的能量。进一步，对能量优化综合减摇系统控制器的研究则更 少。减摇鳍工作需要消耗船舶自身的能量，鳍面积越大，能量损耗越多。相对于减摇鳍，被动 式减摇水舱工作不需要消耗额外的能量，在资源相对短缺的今天，必须考虑船舶减药装置 能量消耗，节能将是未来船舶减摇系统新的发展趋势。为此，在满足减摇效果的前提下，充 分发挥被动式减摇水舱减摇能力，降低减摇鳍动作幅值和频率，降低减摇系统的能量消耗， 是对综合减摇控制器的新要求。
[0005] 减摇鳍和被动式减摇水舱综合减摇系统控制器的研究也仅针对减摇效果，很少 涉及到能量消耗。哈尔滨工程大学的金鸿章、高妍南等在机械工程学报（第47卷第15 期，2011年8月，p37-43.)上面发表了一篇《基于能量优化的海洋机器人航向与横摇自适 应终端滑模综合控制》，文章是依据终端滑模控制理论和零航速减摇鳍工作原理设计针对 航向保持和横摇减摇的控制器，使系统状态的跟踪误差在有限的时间内收敛为零，另外考 虑到海浪干扰的随机性及海洋机器人自身可携带的能量是有限的，因此在控制器的设计中 引入遗传算法，从能量优化的角度出发对控制器参数进行优化。虽然利用遗传算法优化PID 参数，但是未考虑寻优时间。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供不仅可以满足船舶减摇性能指标，而且可以节约PID参数 寻优时间，提高实际应用效率的一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定 PID控制方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：
[0008] 本发明一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法，其 特征是：
[0009] (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
[0010] 当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 A' =却+ β知时，综合减摇系统模型为：
【主权项】
1. 一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID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 当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/以+ (>_ 时，综合减摇系统模型为：
/>，If为自减摇鳍上水动力压力中心到船舶重心的作用力臂，P A PCv 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，j为 οα Ψ 横摇角速度，#为横摇角加速度，Kh为航速调节系数，K p KP、Kd为PID参数，它们分别
' ' h为初稳心高，
，F为常数，Κω= Dha e coscot为扰动力矩，Il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，义为 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，S ^为边舱自由液面 面积，
^为水舱轴线对横摇轴的静压力矩，Y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，z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) 建立综合减摇系统性能指标 综合减摇系统件能栺标可表示为：
式中，σ 2为横摇角方差，λ JP λ 2为加权系数,p为鳍角饱和率,E 2为减摇鳍系统工作 消耗的能量， 根据随机理论，减摇后船舶横摇角方差为：
减摇鳍性能指标要求鳍角最大为22°，即θπ= 22°，鳍角饱和率为13. 5%时的鳍角 的方差为：
驱动减摇鰭系统的能量消耗为：
式中，η为液压传动系统的传输效率， 则综合减摇系统性能指标为：
Saw( ω )为海浪的等效波倾角谱密度，Φ (j ω )为综合减摇系统开环传递函数，S θ ( ω J鳍角 角速率的谱密度，I为减摇鳍绕鳍轴的转动惯量，[σ 0]2为鳍角方差，q为传动系统的传输 效率，λ JP λ 2为权系数，T为横摇周期； (3) 利用双重神经网络在线调整PID控制器的参数KP、KjPK D，实现PID参数自整定； 双重神经网络包括系统辨识神经网络NNl和参数自整定神经网络ΝΝ2,系统辨识神经网络 NNl用于识别和预测综合减摇系统输入与输出的动态关系；参数自整定神经网络ΝΝ2用于 在线自整定PID控制器的参数； (4) 在实时海况条件下，PID控制器中加入延迟环节 在双重神经网络自整定PID控制器中加入滞后环节，在中、低海情下，PID控制器输出 延迟时间为t = 0. 335?0. 4751^，!^*水舱振荡周期，在高海情下，PID控制器输出延时时 间 t = 0· 122 ?0· 239T1; (5) 实时更新PID控制参数，得到最优的PID参数值，优化综合减摇系统性能指标 通过步骤（3)和步骤（4)得到最优PID参数KP、KjP K D，优化综合减摇系统输出的横摇 角和鳍角速率，在任何海情下，优化后的平均鳍角速率不超过5° /s，并使优化后的减摇效 率达到80%以上，否则重复执行步骤（3)和（4)， 减摇效率R为：
式中：I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。
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法，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。根据建立的综合减摇系统模型创建性能指标，性能指标主要包括横摇角方差，鳍角饱和率以及驱动减摇鳍系统能量消耗。利用双重神经网络在线调整PID控制器的参数，实现PID参数自整定。在实时海况条件下，PID控制器中加入延迟环节。实时调整延迟时间，使综合减摇系统能够充分发挥减摇鳍和减摇水舱的减摇能力。实时更新PID控制参数，得到最优的PID参数值，优化综合减摇系统性能指标。本发明不仅可以满足船舶减摇性能指标，而且可以节约PID参数寻优时间，提高实际应用效率。
【IPC分类】B63B9-00, B63B39-00
【公开号】CN104527943
【申请号】CN201410653257
【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