一种适用于海洋移动观测平台的旋柱协同稳定控制系统

本发明涉及海洋工程装备领域，特别是海洋移动观测平台运动控制系统领域，具体为一种适用于海洋移动观测平台的旋柱协同稳定控制系统。

背景技术：

1、随着国内外对海洋开发的重视加深，海洋工程装备的研发与制造随之迅速发展。其中，以极地破冰船、半潜式运输船和科考船等为代表的海洋移动观测平台在海洋领域观测中的作用日益显著。

2、但是，由于海洋环境复杂多变，工作中的海洋移动观测平台容易发生剧烈晃动，轻则影响观测效率，重则造成安全事故。考虑到稳定性对于观测任务的顺利进行和数据的准确性具有重要意义，因此在海洋移动观测平台上一般都安装有减摇设备来维持稳定。旋柱减摇装置作为一种新型减摇装置，其具有优良的减摇性能、低功耗以及占用空间少等特点。目前大多数关于旋柱减摇装置的控制研究主要集中在单对旋柱减摇装置上，一般采用简单有效的pid控制器来达到稳定目的，但海洋移动观测平台长期观测时不可避免地遭遇复杂海况，而pid控制器面对非线性复杂海况的减摇效果不理想，因此设计针对非线性复杂海况的控制系统来提高海洋移动观测平台的稳定性是十分重要的。

3、考虑到海洋移动观测平台在进行观测作业时会遇到特殊海况，减摇装置面临着巨大考验。仅依靠一对旋柱减摇装置无法达到稳定要求，或者部分旋柱突发故障时，将导致海洋移动观测平台缺乏稳定机制。故安装多对旋柱减摇装置不但可以增大海洋移动观测平台的稳定性能，还能通过旋柱间协同稳定来克服部分旋柱故障所带来的困境。目前对于多对旋柱减摇装置的协同控制研究尚显不足，因此展开多对旋柱减摇装置的协同控制研究是有非常重要的。

4、(1)论文《极地科考船减摇水舱设计及特性分析》为工作在恶劣环境下的极地科考船设计了一种改进式减摇水舱，有效降低了极地科考船横摇运动，保障了其海上持续作业的能力但存在以下问题：①减摇水舱占据空间较大；②减摇水舱自摇频率大于横摇频率才能发挥作用，具有一定局限性。

5、(2)论文《magnus旋转式减摇装置的设计及其控制特性研究》和《船用magnus水动力性能研究》都采用pid控制系统进行仿真，并对比减摇前后得到很好的减摇效果，但存在以下问题：①忽略了摆动旋柱在特定时段内的几乎没有减摇效果，增大了驱动能耗；②采用理想的线性船舶横摇模型没有考虑到实际环境，若采用非线性船舶横摇模型，pid控制器的减摇效果不理想。

6、(3)论文《过驱动水面航行器的控制分配技术研究》利用广义逆分配策略解决推力分配过程中可能出现的奇异情况，优化推力器系统配置，提高系统性能和容错能力，从而确保水面航行器的稳定运行和高效性能，但存在以下问题：①基于广义逆的分配方法无法将各执行器的物理约束考虑在内；②要求执行器都参与分配，降低了冗余执行器控制分配的灵活性。

7、(4)论文《基于magnus效应的船舶减摇装置性能分析及试验研究》针对安装两对旋柱减摇装置的水面舰船，分析减摇装置在零航速、低航速和超过临界航速的升力表现，并探究减摇系统在部分旋柱减摇装置不工作时的减摇效果，但存在以下问题：①忽略了外界环境对旋柱升力表现的干扰；②没有解决部分旋柱不工作时减摇效率低下的问题。

技术实现思路

1、基于上述存在的问题，本发明通过优化理论和控制理论设计一种适用于海洋移动观测平台的旋柱协同稳定控制系统，解决了短时段内减摇效果不佳问题，降低了旋柱减摇装置的驱动损耗，提高了部分旋柱不工作时的减摇效率，为遭遇特殊海况的海洋移动观测平台保障了观测质量和航行稳定。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：设计一种适用于海洋移动观测平台的旋柱协同稳定控制系统，包括基于rbf神经网络的滑模力矩控制器、基于序列二次规划法的协同分配控制器、电机随动系统、由四个旋柱组成的旋柱减摇装置、海洋移动观测平台模型、升力反馈机构和角度传感器。

3、s1：建立单个旋柱升力的数学模型和配有两对旋柱的海洋移动观测平台非线性横摇模型，为后续建立旋柱协同稳定控制系统提供理论基础，过程如下：

4、s1.1：设定单个变径圆柱固定端半径为r1，变径比为λ，引入库塔-茹科夫斯基定理，并设定与转速和航速相关的校正参数k、b来校正理论与实际的偏差，通过整合文献和仿真数据以3kn为分界划分航速工况，则单个变径圆柱的升力fli为：

5、

6、式中：ρ为流体密度(kg/m3)，ωi为单个变径圆柱的自转角速度(rad/s)，为单个变径圆柱的摆动角速度，l为单个变径圆柱展长(m)，r1为单个变径圆柱固定端半径(m)，λ为单个变径圆柱的变径比，v为来流速度(m/s)，θi为单个变径圆柱的摆动角度(rad)；

7、s1.2：定义航速v为海洋移动观测平台与海水的相对来流速度，fi′为第i个旋柱产生的实际升力，rrw为旋柱减摇装置的减摇力臂，rm为旋柱减摇装置的升力中心与船体重心之间的距离。ε为旋柱减摇装置的横摇臂与海平面线之间的夹角，则旋柱减摇装置的减摇力臂rrw和产生的总减摇力矩为：

8、rrw＝rm cosε   (2)

9、

10、结合式(2)、式(3)装配有两对旋柱减摇装置的海洋移动观测平台非线性横摇模型为：

11、

12、式中：ix和δix为海洋移动观测平台的转动惯量和附加惯量(kg·m2)，φ为横摇角度(rad)，b1、b2、c2、c3为海洋移动观测平台相关参数，d为排水量(t)，h为海洋移动观测平台的横稳心高(m)，αf为有效波倾角(rad)，kc为旋柱减摇装置产生的总减摇力矩(n·m)。

13、s2：建立基于rbf神经网络的滑模力矩控制器。用于接收输入的总减摇力矩，引入rbf神经网络来预测船舶的未知横摇模型并基于滑模控制算法设计出减摇力矩控制律，从而使得系统的输出能始终跟踪系统的期望输出，过程如下：

14、s2.1：海洋移动观测平台非线性横摇运动模型的状态空间表达式为：

15、

16、式中：海洋移动观测平台模型的参数主要集中于f(x)，因此可视为海洋移动观测平台模型，并且d(t)＝a7αf，kt为力矩控制器的控制输出，代表总减摇力矩；

17、设定滑模面为根据式(7)得出滑模力矩控制器的理想控制律为：

18、

19、式中：c为控制增益，η为切换增益，e为期望输出与实际输出的误差；

20、s2.2：引入rbf神经网络来预测海洋移动观测平台的未知横摇模型，提高控制律的准确性。其中，神经网络的激活函数为高斯基函数h(x)，高斯基函数的输出为h＝[h1,h2,...,hn]t。为使误差e和rbf网络的参数误差尽可能达到最小，神经网络应实时动态逼近被控模型。因此，可将神经网络的参数变化律设计为：

21、

22、式中：为实际网络权值，γ为神经网络的自适应变化参数，则如下式成立：

23、

24、式中：为rbf神经网络预测的海洋移动观测平台横摇模型，ε为预测的横摇模型与理想模型之间的逼近误差，则基于rbf神经网络的滑模力矩控制律为：

25、

26、式中：c为控制增益，η为切换增益。

27、s3：建立基于序列二次规划法的协同分配控制器。用于实时获取各旋柱的实际工作状态并赋予分配权重，然后建立多目标优化函数将滑模力矩控制器计算出海洋移动观测平台对抗横摇的所需的总减摇力矩kt带入式中，最后在减摇效果、能耗经济性和系统稳定性三个指标间通过序列二次规划法寻求减摇力矩最有分配，过程如下：

28、s3.1：考虑到外界对旋柱的干扰，该系统引入了升力反馈机构，通过兼顾各旋柱的内、外部状态可使得协同分配器更合理地根据各旋柱减摇装置的实际工作状态来分配减摇力矩，计算控制信号，从而使它们相互协同；

29、s3.2：平衡减摇效果、能耗经济性和系统稳定性这三个指标涉及到一个复合优化问题，需要构建统一的多目标优化函数，设如下多目标优化函数：

30、

31、式中：nd＝[nd1,nd2,nd3,nd4]为各旋柱的期望转速，即协同分配器的输出的控制信号，δnd为旋柱减摇装置的期望转速的变化量，i为指标数量，t为仿真的步长，pi为各性能指标的权重，ji(k)为多目标优化函数的各个指标；

32、(1)减摇效果指标设定：

33、

34、式中：ki(k)为第k时刻下各旋柱所产生的理论减摇力矩，结合式(1)和式(3)可得其表达式为：

35、

36、式中：ndi(k)，θi(k)和为第i个旋柱第k时刻的内部状态，分别代表着旋柱的期望转速，摆角和摆动角速度，δi(k)为第k时刻下各个旋柱在各自工作环境下所产生的外界效率因子；

37、(2)能耗经济性指标设定：

38、

39、(3)稳定性指标设定：

40、

41、s3.3：对于多目标优化函数求解非线性规划问题，可以采用序列二次规划法求解，首先将非线性规划问题在第n步通过泰勒展开式转化为如下的二次规划子问题：

42、

43、式中：dn为二次规划子问题的最优解，也是当前迭代点的前进方向，gi(·)和cj(·)分别为不等式约束和等式约束的一般表达形式，和为分别为不等式约束和等式约束的雅可比矩阵，hn为拉格朗日函数的hessian矩阵；

44、采用bfgs法即拟牛顿法来近似求解拉格朗日函数的hessian矩阵，其表达式为：

45、

46、s4：利用电机随动系统将协同分配器计算出的各旋柱期望转速以电信号的形式传输到各旋柱的驱动电机中，使其迅速响应，调整现有的工作状态，按照期望的转速转动，并将产生的减摇力矩作用在海洋移动观测平台模型来抵抗海浪干扰所带来的横摇，最后通过角度传感器将海洋移动观测平台的横摇情况反馈到控制器中。

47、本发明具有如下有益效果：

48、(1)相比于其它的减摇装置，旋柱减摇装置具有驱动功率小、占用空间小、造价不高以及持续提供稳定力矩的优势，并且可以增加旋柱数量来增大减摇力矩，在全航速海况下都适用。

49、(2)对具有两对旋柱减摇装置的稳定系统设计协同稳定策略，对每个旋柱进行独立控制，使它们相互协同工作，兼顾旋柱减摇装置的内外状态，实时与环境交互，便于升力的灵活调整，优化了短时段内减摇效果不佳的问题。综合考虑减摇性能、能耗经济性以及稳定性三个指标，完成了各旋柱减摇装置减摇力矩的最优分配，实现减摇效果、能耗经济性和稳定性最优，为遭遇特殊海况的海洋移动观测平台保障了观测质量和航行稳定。

50、(3)相对于常规稳定策略的pid稳定控制系统，该协同稳定控制系统在面对高海况的海浪干扰时具有优异的减摇性能，减摇效率为85.8％，优于pid稳定控制系统的72.3％，稳定效果提高了13.5％，在部分旋柱减摇装置故障情况下，其减摇效率仍保持不变，pid稳定控制系统的减摇效率分别下降到63.4％，验证了理论的可行性，体现了该协同稳定控制系统的优越性。