本發明涉及的是一種船舶減搖控制器，特別涉及的是一種一種綜合減搖控制器。
背景技術：
船舶在海上航行受到海風、海浪、海流的干擾會產生橫搖、艏揺、垂蕩等六個自由度的運動，其中橫搖運動最劇烈。嚴重的橫搖運動會使船上的設備不能正常工作，甲板浸水，船員工作生活不適；對于軍艦，影響火炮系統瞄準，軍人在崗效率降低，艦載機不能安全起落。為了有效地減小船舶橫搖，人們發明了各種減搖裝置，期中考慮成本及可靠性后較為常用的有減搖鰭、被動式減搖水艙、減搖舵、舭龍骨。在設計時，應以達到預期減搖效果的并且不會太多影響船舶橫搖運動特性為前提，同時在設計減搖裝置時主要考慮某一范圍內的海情，而不按很少遇到的惡劣海情設計，這主要是考慮成本以及船舶的運動性能。舭龍骨由于結構簡單、較經濟并且有較好的減搖效果而被大量采用。減搖鰭外形像機翼，根據流體力學可知，快速流動的海水會在鰭上產生升力力，產生力矩來抵抗海浪對船舶的干擾。減搖鰭的減搖效果正相關于船舶航速，航速越大減搖效果越明顯，最高減搖比可達9成，但在低航速或零航速時減搖不明顯，這也是減搖鰭的不足之處。被動式減搖水艙根據諧振原理設計，船舶運動時，艙內液體流動會產生力矩抵消海浪的干擾。設計良好的被動式減搖水艙能在各種航速下減搖，特別是低航速和零航速下能有一定的減搖效果，可以彌補減搖鰭的不足之處，但被動式減搖水艙也有自己的局限性，在一些情況下不但不能減搖而且會加劇橫搖。
綜合減搖系統兼備減搖鰭和被動式減搖水艙的優點同時又能相互彌補不足，經過良好的控制可以使船舶在各種航速和海情下都有令人滿意的減搖效果。船舶同時安裝減搖鰭和被動式減搖水艙之后，二者同時工作，減搖能力不是兩者的簡單相加。減搖鰭有可收放和不可收放兩種，可收放式結構較復雜，成本高，并沒有大量應用。而考慮到航行時減搖鰭不被撞擊，減搖鰭的尺寸就有一定的限制。設計良好的被動式減搖水艙只依靠自身的固有頻率工作，不用外加額外的控制，不消耗電能。減搖鰭是一種主動減搖設備，有專門的控制電路和設備，轉動的減搖鰭能產生與不斷變化的海浪干擾力矩相適應的對抗力矩，工作要消耗電能。減搖鰭的減搖能力正比于鰭的表面積。船舶在海上長時間航行，原料補給較困難，因此節能減耗是必須要考慮的，可以通過設計一個變參數控制器，來達到既有較好的減搖能力又有耗能小優點的目標。
技術實現要素：
本發明的目的是提供是一種應用與船舶減搖，可以能耗低又能夠達到較好減搖能力的一種綜合減搖控制器。
本發明的目的是這樣實現的：
一種綜合減搖控制器，包括船舶-水艙；其特征是：所述船舶-水艙包括角速度傳感器，控制器，航速調節裝置，浪級調節裝置，鰭-隨動系統；所述角速度傳感器，控制器，航速調節裝置，浪級調節裝置，鰭-隨動系統之間依次連接。
首先，分析船舶-減搖鰭系統數學模型和船舶-被動式減搖水艙系統數學模型建立減搖鰭-被動式減搖水艙綜合減搖系統數學模型；其次，分析減搖鰭和被動式減搖水艙的相互影響；再者，建立二次性能指標，采用遺傳算法對參數尋優，設計基于能量最優的變參數pid控制器；最后，對具體實驗船控制仿真并與傳統pid控制對比。
搖鰭-被動式減搖水艙綜合減搖系統數學模型：
其中，
水艙的工作原理可知，其減搖能力由船舶橫搖頻率和橫搖角決定；根據被動式減搖水艙微分方程可知，兩側艙內液體的高度變化由船舶的橫搖角度決定，橫搖角度越大變化幅度越大；已知減搖鰭在主動工作時，會通過轉動一定的角度產生力矩來抵抗海浪擾動力矩干擾，這樣就會降低船舶的橫搖，會對水艙內液體的水位和船舶的橫搖頻率產生影響，而減搖水艙各項參數設定后其橫搖頻率是一個定值，船和水艙二者橫搖頻率之間的差值變大，就會降低被動水艙的減搖效果；已知鰭的減搖效果與船舶航速正相關，當航速越來越高時，鰭的減搖效果也越來越好，但是被動水艙的減搖效果卻因航速變大而減小，因此綜合減搖系統的減搖效果并不是鰭和水艙的簡單相加；當船舶不裝備減搖裝置時船舶橫搖固有頻率為
系統的性能指標：
本發明的優點包括：
（1）本發明設計的控制器的控制參數會隨著航速以及海況的變化而改變，保證船舶在各種情況下都能有效減搖并且能量優化。
（2）在本發明的控制設計中考慮了殘余橫搖角方差、鰭角飽和率和鰭消耗能量，形成一個性能指標，使得控制的效果最佳的時候效率最高。
附圖說明
圖1為綜合減搖系統結構框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做詳細的描述：
實施例1
結合圖1，綜合減搖系統各環節定義：
船舶與海浪的遭遇波傾角：
船舶橫搖角：
減搖鰭鰭角：
由減搖鰭鰭角轉換成的等效波傾角：
由減搖鰭鰭角轉換成波傾角的轉換系數：
船-艙系統傳函：
陀螺傳函：
前置運放傳函：
pid傳函：
鰭隨動系統傳函：
由船舶-被動式減搖水艙的微分方程(2-31)可得系統傳函：
（1）船舶-水艙系統具體傳函：
（2）角速度陀螺運動方程：
其中：
c是框架的剛度系數；
d是阻尼系數；
已知
本次選用的角速度陀螺參數為：
陀螺傳函：
(4)pid控制器傳函：
已知控制系統采用對抗控制原理，那么控制器滿足：
減搖鰭工作時，pid控制器積分環節長時間積分，存在積分漂移問題，一般可以用慣性環節代替:
微分環節極易受到高頻信號干擾，可以用間接微分環節代替：
綜上可得pid控制器傳函：
減搖鰭隨動系統近似簡化為二階系統：
實施例2
首先，分析船舶-減搖鰭系統數學模型和船舶-被動式減搖水艙系統數學模型建立減搖鰭-被動式減搖水艙綜合減搖系統數學模型。
其次，分析減搖鰭和被動式減搖水艙的相互影響。
再者，建立二次性能指標，采用遺傳算法對參數尋優，設計基于能量最優的變參數pid控制器。
最后，對具體實驗船控制仿真并與傳統pid控制對比。
本發明還包括：
（1）搖鰭-被動式減搖水艙綜合減搖系統數學模型：
其中，
（2）水艙的工作原理可知，其減搖能力由船舶橫搖頻率和橫搖角決定。根據被動式減搖水艙微分方程可知，兩側艙內液體的高度變化由船舶的橫搖角度決定，橫搖角度越大變化幅度越大。已知減搖鰭在主動工作時，會通過轉動一定的角度產生力矩來抵抗海浪擾動力矩干擾，這樣就會降低船舶的橫搖，會對水艙內液體的水位和船舶的橫搖頻率產生影響，而減搖水艙各項參數設定后其橫搖頻率是一個定值，船和水艙二者橫搖頻率之間的差值變大，就會降低被動水艙的減搖效果。已知鰭的減搖效果與船舶航速正相關，當航速越來越高時，鰭的減搖效果也越來越好，但是被動水艙的減搖效果卻因航速變大而減小，因此綜合減搖系統的減搖效果并不是鰭和水艙的簡單相加。當船舶不裝備減搖裝置時船舶橫搖固有頻率為
（3）系統的性能指標：