專利名稱：一種基于雙重控制h∞設計的舵鰭聯合減搖方法
技術領域：
本發明涉及的是一種船舶控制方法，具體地說是船舶減搖方法。
背景技術：
船舶在海上航行時，由于受到風浪等環境干擾的作用，會產生各種搖蕩，這對船舶的安全性、船上的設備、貨物及船員都會產生不利影響，其中以橫搖影響最為嚴重。舵鰭聯合減搖是利用船上現有的舵和操舵系統，與減搖鰭聯合起來進行控制，其中減搖鰭起主要的減搖作用，而自動舵在保持航向的同時，起到輔助的減搖作用，這種舵鰭聯合控制，能對減搖鰭起到有力的補償作用，可以在保持航向控制精度的前提下大大提高系統的減搖能力，在提高整體減搖效果的同時，還可以減小減搖鰭的動作和噪音，從而使船舶的適航性、安全性以及成員的舒適性得到相應的提高。目前，舵鰭聯合控制的研究一直是船舶減搖領 域研究的熱點內容。目前對于舵鰭聯合減搖系統的控制，國內外都有一定的研究，但尚未發現應用雙重控制進行舵鰭聯合減搖設計的文獻和專利成果。國外主要文獻有1996年，Sharff等在《Control Eng. Practice》上發表的文章“Final Experimental Results of Full Scale Fin/Rudder Roll Stabilisation SeaTrials”用經典方法設計了舵/鰭聯合減搖的PID控制器，但其并沒有考慮艏搖與橫搖之間、減搖鰭回路與舵回路之間的相互作用，而且所給出的PID控制器也不能保證系統在海浪干擾的主要頻帶內都能達到較高的減搖率。1997年,Roberts等在《IEE Proceedings ofControl Theory Applications》上發表的文章“Robust control methodology appliedto the design of a combined steering/stabilizer system for warships，，應用 H 00控制理論設計了舵鰭聯合減搖控制器，并與經典PID控制器設計結果進行了對比，但控制器設計過程中忽略了回路之間的耦合作用及綜合控制效果的優化。1999年，Sgobbo等在《Marine Technology》上發表的文章“Rudder/Fin Roll Stabilization of the USCGWMEC 901 Class Vessel”利用美海岸警衛隊WMEC901級艦現有的舵/鰭傳動機構，采用LQR方法設計了舵/鰭聯合減搖的控制器，通過與單獨減搖鰭相對比，指出舵/鰭聯合控制器能在保持航向控制精度的同時提高減搖效果。該文獻所給出的控制器過于簡單，且在性能權函數選擇方面也沒有進行一定的優化調節，減搖效率比較低。2004年，Tanguy等在《Proceedings of the 2004 American Control Conference》上發表的文章 “Fin RudderRoll Stabilisation of Ships:a Gain Scheduling Control Methodology，，用增益標定控制方法設計了船舶舵/鰭聯合減搖的閉環控制系統，但并沒有考慮橫搖控制對航向的影響。國內主要文獻有2005年，張冰等在《中國航海》上發表的文章“船舶舵鰭聯合減搖模糊變結構控制研究”給出了船舶舵/鰭聯合減搖控制系統的狀態方程，并設計了舵/鰭聯合減搖的變結構控制器。2002年，于萍等在《系統仿真學報》上發表的文章“基于H -設計法的非線性舵鰭聯合控制系統仿真研”基于H c 狀態反饋，進行了舵/鰭聯合控制系統的設計。2006年，張顯庫等在《交通運輸工程學報》上發表的文章“舵鰭聯合減搖的魯棒控制系統”用MMO閉環增益成形算法設計了船舶舵/鰭聯合減搖的控制系統。文獻所設計的控制器大都沒有分析減搖鰭回路與舵減搖回路的不同動態特性，只能保證控制作用的疊力口，不能保證綜合減搖效果的最優化及性能的優化，也沒考慮如何最大化的發揮減搖鰭及舵的作用。
發明內容
本發 明的目的在于提供舵和鰭兩個回路的Nyquist曲線在船的自然頻率上都做到零相移的一種基于雙重控制H c 設計的舵鰭聯合減搖方法。本發明的目的是這樣實現的本發明一種基于雙重控制H c 設計的舵鰭聯合減搖方法，其特征是( I)采集橫搖角信號爐(0，設定船舶橫搖諧振頻率ω η及控制參數初值，包括橫搖角反饋系數h、橫搖角速度反饋系數k2、橫搖角加速度反饋系數k3、靈敏度權函數W1的增益系數讓4、阻尼比ξ、控制靈敏度權函數W2的增益系數k5、轉折頻率ωρ ω2、ω3 ；(2)以爐(O為輸入，應用基于零相移的可調參數控制算法計算減搖鰭回路控制輸出
U1(t)根據下式計算控制輸出U1 (t)
權利要求
1. 一種基于雙重控制H C 設計的舵鰭聯合減搖方法，其特征是 (1)采集橫搖角信號供(O，設定船舶橫搖諧振頻率《 及控制參數初值，包括橫搖角反饋系數h、橫搖角速度反饋系數匕、橫搖角加速度反饋系數k3、靈敏度權函數巧的增益系數k4、阻尼比ξ、控制靈敏度權函數W2的增益系數k5、轉折頻率ωι、ω2、ω3 ; (2)U叫/)為輸入，應用基于零相移的可調參數控制算法計算減搖鰭回路控制輸出U1(t) 根據下式計算控制輸出U1 (t) 上式中表不橫搖角速度，表不橫搖角加速度； 對111(0進行拉普拉斯變換，得到減搖器控制器的傳遞函數Kf(S) Tr , 、 U As) . /c., L 2 K As) = lV =L +^s + ^-s， Φ(^) ωη ω； 上式中Φ (S)為橫搖角例V)的拉普拉斯變換，U1(S)為輸出U1 (t)的拉普拉斯變換； (3)以火/)為輸入，按照零相移的設計要求確定靈敏度權函數及控制靈敏度權函數，然后應用H c 控制算法計算舵減搖回路控制輸出U2(t) 采用H c 混合靈敏度S/KS問題求解舵減搖控制器，確定H c 設計中的權函數，即確定靈敏度權函數W1和控制靈敏度權函數W2 靈敏度權函數W1 (s)取為 W(S) = ^^， 1 ,^-+2ξω^ + ω； 控制靈敏度權函數W2取為 剛=從.+仞丨)(、. + %)， ~.V (,V + (O3) 根據權函數結構及初始控制參數值，求解H C 優化問題，得到舵減搖的H C 控制器KJs)，進而得到輸出的拉普拉斯變換U2 (s)為U2(S) = Kr(S) · Φ (S), 對U2 (s)進行拉普拉斯反變換，得到U2 (t)； (4)根據舵、鰭控制輸出繪制系統的開環Nyquist特性，然后判斷是否滿足指標要求，若不滿足，重新調整各控制參數值并返回步驟(2)，直到滿足指標要求為止 建立舵鰭聯合減搖對象模型，將以鰭角α即+α)和舵角δ即u2(t)為輸入，橫搖角扒/)為輸出的舵/鰭聯合減搖對象模型用傳遞函數G (S)來表示G(s) = [Gf(s) Gr(S)], 然后將控制作用Ul(t)和112(0相疊加，令 "、「咕)_ w( )="、， u0(t) 則其拉普拉斯變換U (s)為，
2.根據權利要求I所述的一種基于雙重控制H c 設計的舵鰭聯合減搖方法，其特征是所述的控制參數初值分別設定為ω n=l、k1=2>k2=6/ ω η、k3=2/ ω η、k4=l、ξ =0. 3、k5=l、ω 1—O. I、2 — 2λ 3 — 500。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種基于雙重控制H∞設計的舵鰭聯合減搖方法，包括采集橫搖角信號設定控制參數初值；以為輸入，計算減搖鰭回路控制輸出u1(t)；以為輸入，確定靈敏度權函數及控制靈敏度權函數，計算舵減搖回路控制輸出u2(t)；根據舵鰭聯合減搖對象模型及合成的舵、鰭控制作用繪制系統的開環Nyquist特性，然后判斷是否滿足指標要求，若不滿足，重新調整各控制參數值，直到滿足指標要求為止。本發明充分利用了舵和減搖鰭的作用，通過對舵和減搖鰭回路的零相移設計使二者合成的減搖效果相疊加，實現了對系統的雙重控制，從而大大增強了船舶的減搖能力。
文檔編號B63B39/00GK102910265SQ201210427910
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月31日 優先權日2012年10月31日
發明者劉彥文, 梁利華, 張松濤, 高振國, 綦志剛, 李棟良, 許保同 申請人:哈爾濱工程大學