一種基于能量?jī)?yōu)化的綜合減搖裝置雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定pid控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種減搖控制方法，具體地說(shuō)是船舶減搖控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶在海上航行，由于海浪作用將產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，其中以橫搖運(yùn)動(dòng)最為 劇烈。因此如何減搖一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題，而減搖鰭和減搖水艙又是當(dāng)今最常用的 船舶減搖裝置，但各自在應(yīng)用上有缺點(diǎn)。減搖鰭在船舶為高航速時(shí)減搖效果較好，低航速或 零航速幾乎沒有減搖效果。減搖水艙減搖能力有限，在某些海況下甚至有增搖作用。為克 服各自缺點(diǎn)，增加船舶耐波性，同時(shí)考慮裝備減搖鰭和減搖水艙。
[0003] 減搖鰭一被動(dòng)式減搖水艙綜合減搖系統(tǒng)可以綜合減搖鰭在船舶在高航速下減搖 效率高和被動(dòng)式減搖水艙在零航速和低航速下具有減搖能力的優(yōu)點(diǎn)。綜合減搖系統(tǒng)可以在 全航速下工作，有效減小船舶橫搖運(yùn)動(dòng)，提高船舶耐波性。但綜合減搖系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣和剛 度矩陣存在耦合項(xiàng)，減搖鰭和被動(dòng)式減搖水艙二者工作時(shí)相互影響。綜合減搖系統(tǒng)減搖效 果很大程度上取決于控制方法的設(shè)計(jì)，一般采用經(jīng)典的PID控制器，但PID控制只針對(duì)特定 海情有較好的減搖效果，由于船舶運(yùn)動(dòng)環(huán)境在一直變化，船速也不是常數(shù)，海情也在變化， 遭遇頻率也在改變，每次航行負(fù)載情況也在變化，隨著這些因素的改變，控制效果會(huì)明顯降 低。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中效果不佳。
[0004] 而現(xiàn)如今的減搖裝置，僅考慮船舶減搖，對(duì)船舶減藥裝置能量?jī)?yōu)化研究較少，甚至 為了減搖不惜犧牲大量主機(jī)的能量。進(jìn)一步，對(duì)能量?jī)?yōu)化綜合減搖系統(tǒng)控制器的研究則更 少。減搖鰭工作需要消耗船舶自身的能量，鰭面積越大，能量損耗越多。相對(duì)于減搖鰭，被動(dòng) 式減搖水艙工作不需要消耗額外的能量，在資源相對(duì)短缺的今天，必須考慮船舶減藥裝置 能量消耗，節(jié)能將是未來(lái)船舶減搖系統(tǒng)新的發(fā)展趨勢(shì)。為此，在滿足減搖效果的前提下，充 分發(fā)揮被動(dòng)式減搖水艙減搖能力，降低減搖鰭動(dòng)作幅值和頻率，降低減搖系統(tǒng)的能量消耗， 是對(duì)綜合減搖控制器的新要求。
[0005] 減搖鰭和被動(dòng)式減搖水艙綜合減搖系統(tǒng)控制器的研究也僅針對(duì)減搖效果，很少 涉及到能量消耗。哈爾濱工程大學(xué)的金鴻章、高妍南等在機(jī)械工程學(xué)報(bào)（第47卷第15 期，2011年8月，p37-43.)上面發(fā)表了一篇《基于能量?jī)?yōu)化的海洋機(jī)器人航向與橫搖自適 應(yīng)終端滑模綜合控制》，文章是依據(jù)終端滑?？刂评碚摵土愫剿贉p搖鰭工作原理設(shè)計(jì)針對(duì) 航向保持和橫搖減搖的控制器，使系統(tǒng)狀態(tài)的跟蹤誤差在有限的時(shí)間內(nèi)收斂為零，另外考 慮到海浪干擾的隨機(jī)性及海洋機(jī)器人自身可攜帶的能量是有限的，因此在控制器的設(shè)計(jì)中 引入遺傳算法，從能量?jī)?yōu)化的角度出發(fā)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。雖然利用遺傳算法優(yōu)化PID 參數(shù)，但是未考慮尋優(yōu)時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供不僅可以滿足船舶減搖性能指標(biāo)，而且可以節(jié)約PID參數(shù) 尋優(yōu)時(shí)間，提高實(shí)際應(yīng)用效率的一種基于能量?jī)?yōu)化的綜合減搖裝置雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定 PID控制方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明一種基于能量?jī)?yōu)化的綜合減搖裝置雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制方法，其 特征是：
[0009] (1)建立綜合減搖系統(tǒng)模型，以海浪波傾角作為綜合減搖系統(tǒng)輸入
[0010] 當(dāng)船舶同時(shí)裝備減搖鰭和被動(dòng)式減搖水艙，減搖鰭產(chǎn)生扶正力矩 A' =卻+ β知時(shí)，綜合減搖系統(tǒng)模型為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于能量?jī)?yōu)化的綜合減搖裝置雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制方法，其特征是： (1) 建立綜合減搖系統(tǒng)模型，以海浪波傾角作為綜合減搖系統(tǒng)輸入 當(dāng)船舶同時(shí)裝備減搖鰭和被動(dòng)式減搖水艙，減搖鰭產(chǎn)生扶正力矩/以+ (>_ 時(shí)，綜合減搖系統(tǒng)模型為：
/>，If為自減搖鰭上水動(dòng)力壓力中心到船舶重心的作用力臂，P A PCv 海水密度，V為航速，Af為減搖鰭的投影面積，^為升力系數(shù)斜率，Φ為橫搖角，j為 οα Ψ 橫搖角速度，#為橫搖角加速度，Kh為航速調(diào)節(jié)系數(shù)，K p KP、Kd為PID參數(shù)，它們分別
' ' h為初穩(wěn)心高，
，F(xiàn)為常數(shù)，Κω= Dha e coscot為擾動(dòng)力矩，Il為相對(duì)于通過(guò)船舶重 心的縱軸的慣量和附加慣量之和，
'為艙內(nèi)液體對(duì)橫搖軸的質(zhì)量慣性矩，S為 沿水艙軸線的法線方向的局部截面積，r為微質(zhì)量dm的質(zhì)心到橫搖軸的距離微質(zhì)量，義為 船舶阻尼系數(shù)，D為排水量，h'為加入水艙后穩(wěn)心高，Pt為海水密度，S ^為邊艙自由液面 面積，
^為水艙軸線對(duì)橫搖軸的靜壓力矩，Y為r與d之間的夾角，dl為液體 微體積沿水艙軸線的長(zhǎng)度，1為U型水艙軸線長(zhǎng)度，z為邊艙內(nèi)水位高度，
為艙 內(nèi)水柱相當(dāng)長(zhǎng)度，Nt為水艙阻尼系數(shù)，R為邊艙中至船舶縱中刨面的水平距離，g為重力加 速度； (2) 建立綜合減搖系統(tǒng)性能指標(biāo) 綜合減搖系統(tǒng)件能栺標(biāo)可表示為：
式中，σ 2為橫搖角方差，λ JP λ 2為加權(quán)系數(shù),p為鰭角飽和率,E 2為減搖鰭系統(tǒng)工作 消耗的能量， 根據(jù)隨機(jī)理論，減搖后船舶橫搖角方差為：
減搖鰭性能指標(biāo)要求鰭角最大為22°，即θπ= 22°，鰭角飽和率為13. 5%時(shí)的鰭角 的方差為：
驅(qū)動(dòng)減搖鰭系統(tǒng)的能量消耗為：
式中，η為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的傳輸效率， 則綜合減搖系統(tǒng)性能指標(biāo)為：
Saw( ω )為海浪的等效波傾角譜密度，Φ (j ω )為綜合減搖系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，S θ ( ω J鰭角 角速率的譜密度，I為減搖鰭繞鰭軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，[σ 0]2為鰭角方差，q為傳動(dòng)系統(tǒng)的傳輸 效率，λ JP λ 2為權(quán)系數(shù)，T為橫搖周期； (3) 利用雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)KP、KjPK D，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自整定； 雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括系統(tǒng)辨識(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNl和參數(shù)自整定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ΝΝ2,系統(tǒng)辨識(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) NNl用于識(shí)別和預(yù)測(cè)綜合減搖系統(tǒng)輸入與輸出的動(dòng)態(tài)關(guān)系；參數(shù)自整定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ΝΝ2用于 在線自整定PID控制器的參數(shù)； (4) 在實(shí)時(shí)海況條件下，PID控制器中加入延遲環(huán)節(jié) 在雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制器中加入滯后環(huán)節(jié)，在中、低海情下，PID控制器輸出 延遲時(shí)間為t = 0. 335?0. 4751^，!^*水艙振蕩周期，在高海情下，PID控制器輸出延時(shí)時(shí) 間 t = 0· 122 ?0· 239T1; (5) 實(shí)時(shí)更新PID控制參數(shù)，得到最優(yōu)的PID參數(shù)值，優(yōu)化綜合減搖系統(tǒng)性能指標(biāo) 通過(guò)步驟（3)和步驟（4)得到最優(yōu)PID參數(shù)KP、KjP K D，優(yōu)化綜合減搖系統(tǒng)輸出的橫搖 角和鰭角速率，在任何海情下，優(yōu)化后的平均鰭角速率不超過(guò)5° /s，并使優(yōu)化后的減搖效 率達(dá)到80%以上，否則重復(fù)執(zhí)行步驟（3)和（4)， 減搖效率R為：
式中：I為未安裝減搖鰭時(shí)橫搖角平均值；^為安裝減搖鰭時(shí)橫搖角平均值。
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種基于能量?jī)?yōu)化的綜合減搖裝置雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制方法，建立綜合減搖系統(tǒng)模型，以海浪波傾角作為綜合減搖系統(tǒng)輸入。根據(jù)建立的綜合減搖系統(tǒng)模型創(chuàng)建性能指標(biāo)，性能指標(biāo)主要包括橫搖角方差，鰭角飽和率以及驅(qū)動(dòng)減搖鰭系統(tǒng)能量消耗。利用雙重神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自整定。在實(shí)時(shí)海況條件下，PID控制器中加入延遲環(huán)節(jié)。實(shí)時(shí)調(diào)整延遲時(shí)間，使綜合減搖系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮減搖鰭和減搖水艙的減搖能力。實(shí)時(shí)更新PID控制參數(shù)，得到最優(yōu)的PID參數(shù)值，優(yōu)化綜合減搖系統(tǒng)性能指標(biāo)。本發(fā)明不僅可以滿足船舶減搖性能指標(biāo)，而且可以節(jié)約PID參數(shù)尋優(yōu)時(shí)間，提高實(shí)際應(yīng)用效率。
【IPC分類】B63B9-00, B63B39-00
【公開號(hào)】CN104527943
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410653257
【發(fā)明人】于立君, 劉少英, 王輝, 陳佳, 張波波, 關(guān)作鈺, 王正坤, 李灝
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年11月17日