專利名稱：船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯合控制方法
技術領域：
本發明涉及的是一種船舶航行與姿態控制方法，特別涉及一種舵/鰭聯合控制方法。
背景技術：
在船舶姿態控制中，航向控制是最基本的，不論何種船舶，為完成各種使命，必須進行航向控制。船舶航向控制主要是靠控制操舵運動來實現。此外，橫搖運動對船舶安全航行、船員舒適感和武備系統的命中率均有嚴重的影響，為了有效地減小橫搖運動，船舶工程師們設計了各種各樣的減搖裝置。船舶減搖的一種有效措施是采用主動式減搖鰭系統。
為了提高船舶的操縱性能，一種可行的方法是增加舵(鰭)的拱度，舵/翼舵(鰭/翼鰭)就是通過在舵(鰭)上增加一個相對獨立運動的小控制面—翼舵(翼鰭)，使主舵(主鰭)與翼舵(翼鰭)之間產生一個夾角，因而實際上是將一個一般的流線型舵(鰭)變為一個具有一定拱度的舵(鰭)，來改善舵(鰭)水動力性能，從而提高自動舵系統航向控制性能和減搖鰭系統減搖性能。
船舶航向和橫搖運動具有耦合影響，并且操舵過程中，舵不僅會產生艏搖控制力矩，同時還會產生可觀的橫搖扶正力矩。而鰭在運動過程中，除了產生橫搖扶正力矩外，也能產生一定量的航向扶正力矩。
現有的對舵/翼舵、鰭/翼鰭的控制技術是分別基于船舶艏搖運動模型和橫搖運動模型設計航向控制系統和橫搖減搖系統，兩個系統之間沒有考慮航向與橫搖的耦合影響，也沒有利用舵/翼舵對橫搖的減搖能力和鰭/翼鰭對航向的扶正能力，這樣使得船舶的操縱性大為降低。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠改善船舶的航向控制效果和橫搖減搖效果的船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯合控制方法。
本發明的目的是這樣實現的 航向檢測裝置和橫搖檢測裝置分別檢測船舶航向角信號和橫搖角信號，并將其傳輸給信息處理單元；在信息處理單元中根據航向角信號和橫搖角信號采用航向/橫搖魯棒控制器計算出所需的航向扶正力矩和橫搖扶正力矩，再通過舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器分別根據航向扶正力矩和橫搖扶正力矩計算出所需的舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角，并將其作為信息處理單元的輸出；舵伺服系統、翼舵伺服系統、鰭伺服系統、翼鰭伺服系統分別接受舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角指令信號，驅動舵、翼舵和鰭、翼鰭，實現對船舶航向/橫搖的有效控制。
本發明通過舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器實現對舵角/翼舵角、鰭角/翼鰭角的分配。在建立系統驅動能量模型的基礎上，以“系統能耗最小”為準則，采用遺傳優化算法對舵角/翼舵角、鰭角/翼鰭角進行優化，獲得最佳的舵角/翼舵角組合和鰭角/翼鰭角組合。
本發明的船舶航向/橫搖控制系統為多輸入多輸出耦合系統，并且由于船舶航行狀態與海洋環境的復雜多變，系統存在海風、海浪、海流等隨機干擾和模型不確定性。為了增強系統的魯棒性能，采用魯棒控制技術設計船舶航向/橫搖聯合控制器。
本發明的優點在于 (1)基于船舶航向/橫搖耦合狀態方程設計航向/橫搖聯合控制器，能更好的反映船舶的實際運動特性； (2)充分利用了舵/翼舵對橫搖的減搖能力和鰭/翼鰭對航向的扶正能力，改善了船舶航向控制效果和橫搖減搖效果； (3)應用魯棒控制技術設計航向/橫搖聯合控制器，充分考慮了船舶運動模型的不確定性和隨機干擾，系統具有良好的魯棒性能。
圖1為船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯合控制系統原理結構圖； 圖2為船舶航向/橫搖聯合魯棒控制器設計原理圖。
圖3為舵角/翼舵角、鰭角/翼鰭角分配算法流程圖。
具體實施例方式 下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述 結合圖1，它包括信息處理單元、舵伺服系統、翼舵伺服系統、鰭伺服系統、翼鰭伺服系統、航向信號檢測裝置和橫搖信號檢測裝置。其中，信息處理單元又包括航向/橫搖控制器、舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器三個部分。
信息處理單元接受來自航向檢測裝置和橫搖檢測裝置的船舶航向角信號和橫搖角信號，在信息處理單元中根據航向角信號和橫搖角信號采用航向/橫搖魯棒控制器計算出所需的航向扶正力矩和橫搖扶正力矩，舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器優化得到一組舵角/翼舵角和鰭角/翼鰭角。舵伺服系統、翼舵伺服系統和鰭伺服系統、翼鰭伺服系統分別接受舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角指令信號，驅動舵、翼舵和鰭、翼鰭，實現對船舶航向/橫搖的聯合控制。
結合圖2，本專利通過4個步驟實現魯棒控制器的設計。
第一步建立船舶航向/橫搖耦合運動方程 考慮船舶航向/橫搖運動的耦合影響，忽略其他自由度運動的影響，把舵、鰭以及海洋干擾產生的力矩統一看做對船舶航向/橫搖運動的作用力，可得到船舶航向/橫搖耦合運動方程，如下式所示。
其中
-----橫搖角；
-----艏搖角 Iz-----船體質量對z軸的慣性矩； Ix-----船體質量對x軸的慣性矩；
-----附加轉動慣性矩；
-----與運動線速度或角速度相聯系的阻尼系數；
-----橫搖恢復力矩系數 KR、NR-----舵產生的橫搖力矩、艏搖力矩 Kf、Nf-----鰭產生的橫搖力矩、艏搖力矩 Kd、Nd-----橫搖干擾力矩、艏搖干擾力矩 第二步舵角/翼舵角、鰭角/翼鰭角分配算法設計。
設i時刻的舵角/翼舵角分別為αi和βi，此時，由控制器計算得到所需扶正力矩值為Ki，舵角/翼舵角分配單元的功能為確定i+1時刻的舵角αi+1和翼舵角βi+1。
首先αi+1、βi+1需滿足 NR(αi+1，βi+1)＝Ki(2) 對于NR(αi+1，βi+1)，有 式中αH為舵與船體水動力影響系數，xR為舵力作用點的縱向坐標，ρ為海水密度，g為重力加速度，Sp為舵面積，Cy(α，β)為舵升力系數，u為船速。
在此需要注意的是當|Ki|>NRmax時，需要令|Ki|＝NRmax。NRmax為襟翼舵(舵/翼舵)升力系數曲面的最高點所對應的艏搖力矩值，我們將該點定義為失速點，失速點所對應的舵角和翼舵角稱為最大舵角和最大翼舵角，分別用αmax、βmax表示，受此限制，有 此外，受舵機和翼舵機的速度的限制，又有 式中
分別為舵速限制和翼舵速限制，Δt為采樣間隔。
為了充分發揮舵/翼舵的節能效果，舵角/翼舵角分配規則遵循系統驅動能量最小的原則。
舵/翼舵從αi/βi轉至αi+1/βi+1時系統驅動能量的表達式ΔJi+1為系統驅動能量的的計算模型
(6) 當舵型參數確定后，ΔJi+1即為αi+1和βi+1的函數。因此，綜上所述，舵角/翼舵角分配規則為 采用改進的遺傳算法優化αi+1和βi+1以實現舵角/翼舵角分配規則。由于二進制編碼簡單易行，因此采用二進制編碼，編碼長度為10。編碼的范圍由式(4)和(5)確定，對于αi+1而言，其取值范圍應該在
內，且滿足|αi+1|<αmax；對于βi+1而言，其取值范圍應該在
內，且滿足|βi+1|<βmax。遺傳算法的適應度函數選擇為 具體遺傳算法尋優過程如附圖3所示。同理，鰭角/翼鰭角分配算法與舵角/翼舵角分配規則相似。
第三步將運動方程轉換為可進行H2/H∞控制設計的標準形式 應用H2/H∞控制技術設計船舶航向/橫搖聯合魯棒控制器，設計是基于船舶航向/橫搖耦合運動方程進行的，令x＝[x1 x2 x3 x4]T，x1＝ψ，
并將船舶航向/橫搖耦合運動方程轉化為可進行H2/H∞控制設計的標準形式，有 其中ΔB1＝04×2 有
式中ψ為船舶的航向角，
為船舶的橫搖角；Iz為船舶對z軸的轉動慣量，Ix為船舶對x軸的轉動慣量；αr為舵角，βr為翼舵角，αf為鰭角，βf為翼鰭角；Py(αr，βr)為舵/翼舵的升力，αH為舵/翼舵與船體水動力影響系數，xR、zR分別為舵/翼舵水動力作用點的縱向和垂向坐標；Lf(αf，βf)為鰭/翼鰭的升力，θ為鰭/翼鰭的法線與水平面的夾角，l′為升力作用線到重心的距離在縱向的投影，l為鰭/翼鰭中心到船體重心的長度；Nd、Kd分別為船舶受到的艏搖干擾力矩和橫搖干擾力矩。
a..、b..、c..為船舶粘性水動力系數，考慮系統模型的參數不確定性，認為Iz、Ix是定常的，具有不確定性的參數為a..、b..、c..，有
其中δi為不確定變量，且有‖δi‖≤1，i＝1，2，…，9。
ΔA、ΔB1滿足 [ΔA ΔB1]＝HF[E1 E2] (10)
E2＝05×2 其中F是不確定矩陣，并且滿足FTF≤I。因此，ΔA、ΔB1是滿足H2/H∞魯棒控制的標準形式的。
第四步定義船舶航向/橫搖控制系統性能評價信號 對于船舶航向/橫搖控制系統而言，系統H∞性能主要與航向角、橫搖角有關，要求提高航向、減搖控制精度，增強系統對海浪干擾和模型參數攝動的魯棒性；對于系統H2性能而言，則需要綜合考慮航向角、航向角速度、橫搖角、橫搖角速度以及對控制量的約束。據此定義船舶航向/橫搖控制系統的性能評價信號為
第五步求解船舶航向/橫搖聯合魯棒控制器 在獲得船舶航向/橫搖H2/H∞魯棒控制系統模型的系數矩陣，并且定義系統的性能評價信號之后，便可采用Matlab軟件中的LMI工具箱求解船舶航向/橫搖聯合魯棒控制器。
根據LMI工具箱求解得到系統魯棒控制器的控制系數，設計狀態反饋控制器。
權利要求
1、一種船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯合控制方法，其特征是航向檢測裝置和橫搖檢測裝置分別檢測船舶航向角信號和橫搖角信號，并將其傳輸給信息處理單元；在信息處理單元中根據航向角信號和橫搖角信號采用航向/橫搖魯棒控制器計算出所需的航向扶正力矩和橫搖扶正力矩，再通過舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器分別根據航向扶正力矩和橫搖扶正力矩計算出所需的舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角，并將其作為信息處理單元的輸出；舵伺服系統、翼舵伺服系統、鰭伺服系統、翼鰭伺服系統分別接受舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角指令信號，驅動舵、翼舵和鰭、翼鰭，實現對船舶航向/橫搖的有效控制。
2、根據權利要求1所述的船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯合控制方法，其特征是所述的根據航向角信號和橫搖角信號采用航向/橫搖魯棒控制器計算出所需的航向扶正力矩和橫搖扶正力矩包括如下步驟
第一步建立船舶航向/橫搖耦合運動方程
船舶航向/橫搖耦合運動方程為
其中
-----橫搖角；
-----艏搖角
Iz-----船體質量對z軸的慣性矩；
Ix-----船體質量對x軸的慣性矩；
-----附加轉動慣性矩；
-----與運動線速度或角速度相聯系的阻尼系數；
-----橫搖恢復力矩系數
KR、NR-----舵產生的橫搖力矩、艏搖力矩
Kf、Nf-----鰭產生的橫搖力矩、艏搖力矩
Kd、Nd-----橫搖干擾力矩、艏搖干擾力矩
第二步舵角/翼舵角、鰭角/翼鰭角分配算法設計設i時刻的舵角/翼舵角分別為αi和βi，此時，由控制器計算得到所需扶正力矩值為Ki，舵角/翼舵角分配單元的功能為確定i+1時刻的舵角αi+1和翼舵角βi+1；
首先αi+1、βi+1需滿足
NR(αi+1，βi+1)＝Ki(2)
對于NR(αi+1，βi+1)，有
式中αH為舵與船體水動力影響系數，xR為舵力作用點的縱向坐標，ρ為海水密度，g為重力加速度，Sp為舵面積，Cy(α，β)為舵升力系數，u為船速；
當|Ki|>NRmax時，需要令|Ki|＝NRmax；NRmax為襟翼舵升力系數曲面的最高點所對應的艏搖力矩值，將該點定義為失速點，失速點所對應的舵角和翼舵角稱為最大舵角和最大翼舵角，分別用αmax、βmax表示，受此限制，有
此外，受舵機和翼舵機的速度的限制，又有
式中
分別為舵速限制和翼舵速限制，Δt為采樣間隔；
舵/翼舵從αi/βi轉至αi+1/βi+1時系統驅動能量的表達式ΔJi+1為系統驅動能量的的計算模型
(6)
當舵型參數確定后，ΔJi+1即為αi+1和βi+1的函數，舵角/翼舵角分配規則為
采用改進的遺傳算法優化αi+1和βi+1以實現舵角/翼舵角分配規則，采用二進制編碼，編碼長度為10，編碼的范圍由式(4)和(5)確定，對于αi+1而言，其取值范圍應該在
內，且滿足|αi+1|<αmax；對于βi+1而言，其取值范圍應該在
內，且滿足|βi+1|<βmax；遺傳算法的適應度函數選擇為
第三步將運動方程轉換為可進行H2/H∞控制設計的標準形式
應用H2/H∞控制技術設計船舶航向/橫搖聯合魯棒控制器，基于船舶航向/橫搖耦合運動方程進行的，令x＝[x1 x2 x3 x4]T，x1＝ψ，
并將船舶航向/橫搖耦合運動方程轉化為可進行H2/H∞控制設計的標準形式，有
其中有
式中ψ為船舶的航向角，
為船舶的橫搖角；Iz為船舶對z軸的轉動慣量，Ix為船舶對x軸的轉動慣量；αr為舵角，βr為翼舵角，αf為鰭角，βf為翼鰭角；Py(αr，βr)為舵/翼舵的升力，αH為舵/翼舵與船體水動力影響系數，xR、zR分別為舵/翼舵水動力作用點的縱向和垂向坐標；Lf(αf，βf)為鰭/翼鰭的升力，θ為鰭/翼鰭的法線與水平面的夾角，l′為升力作用線到重心的距離在縱向的投影，l為鰭/翼鰭中心到船體重心的長度；Nd、Kd分別為船舶受到的艏搖干擾力矩和橫搖干擾力矩；
a..、b..、c..為船舶粘性水動力系數，Iz、Ix是定常的，具有不確定性的參數為a..、b..、c..，有
其中δi為不確定變量，且有‖δi‖≤1，i＝1，2，…，9；
ΔA、ΔB1滿足
[ΔA ΔB1]＝HF[E1 E2](10)
其中F是不確定矩陣，并且滿足FTF≤I；因此，ΔA、ΔB1是滿足H2/H∞魯棒控制的標準形式的；
第四步定義船舶航向/橫搖控制系統性能評價信號
定義船舶航向/橫搖控制系統的性能評價信號為
第五步求解船舶航向/橫搖聯合魯棒控制器
在獲得船舶航向/橫搖H2/H∞魯棒控制系統模型的系數矩陣，并且定義系統的性能評價信號之后，采用Matlab軟件中的LMI工具箱求解船舶航向/橫搖聯合魯棒控制器。
全文摘要
本發明提供的是一種船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯合控制方法。航向檢測裝置和橫搖檢測裝置分別檢測船舶航向角信號和橫搖角信號，并將其傳輸給信息處理單元；在信息處理單元中根據航向角信號和橫搖角信號采用航向/橫搖魯棒控制器計算出所需的航向扶正力矩和橫搖扶正力矩，再通過舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器分別根據航向扶正力矩和橫搖扶正力矩計算出所需的舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角，并將其作為信息處理單元的輸出；舵伺服系統、翼舵伺服系統、鰭伺服系統、翼鰭伺服系統分別接受舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角指令信號，驅動舵、翼舵和鰭、翼鰭，實現對船舶航向/橫搖的有效控制。本發明能夠改善船舶的航向控制效果和橫搖減搖效果。
文檔編號G05D1/08GK101519117SQ20091007180
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月17日 優先權日2009年4月17日
發明者勝 劉, 亮 方, 冰 李, 李高云, 周麗明 申請人:哈爾濱工程大學