專利名稱：船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯(lián)合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種船舶航行與姿態(tài)控制方法，特別涉及一種舵/鰭聯(lián)合控制方法。
背景技術(shù)：
在船舶姿態(tài)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(jìn)行航向控制。船舶航向控制主要是靠控制操舵運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)船舶安全航行、船員舒適感和武備系統(tǒng)的命中率均有嚴(yán)重的影響，為了有效地減小橫搖運(yùn)動(dòng)，船舶工程師們?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)式減搖鰭系統(tǒng)。
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(guò)在舵(鰭)上增加一個(gè)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的小控制面—翼舵(翼鰭)，使主舵(主鰭)與翼舵(翼鰭)之間產(chǎn)生一個(gè)夾角，因而實(shí)際上是將一個(gè)一般的流線型舵(鰭)變?yōu)橐粋€(gè)具有一定拱度的舵(鰭)，來(lái)改善舵(鰭)水動(dòng)力性能，從而提高自動(dòng)舵系統(tǒng)航向控制性能和減搖鰭系統(tǒng)減搖性能。
船舶航向和橫搖運(yùn)動(dòng)具有耦合影響，并且操舵過(guò)程中，舵不僅會(huì)產(chǎn)生艏搖控制力矩，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生可觀的橫搖扶正力矩。而鰭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，除了產(chǎn)生橫搖扶正力矩外，也能產(chǎn)生一定量的航向扶正力矩。
現(xiàn)有的對(duì)舵/翼舵、鰭/翼鰭的控制技術(shù)是分別基于船舶艏搖運(yùn)動(dòng)模型和橫搖運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)航向控制系統(tǒng)和橫搖減搖系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)之間沒(méi)有考慮航向與橫搖的耦合影響，也沒(méi)有利用舵/翼舵對(duì)橫搖的減搖能力和鰭/翼鰭對(duì)航向的扶正能力，這樣使得船舶的操縱性大為降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(lián)合控制方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 航向檢測(cè)裝置和橫搖檢測(cè)裝置分別檢測(cè)船舶航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)，并將其傳輸給信息處理單元；在信息處理單元中根據(jù)航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)采用航向/橫搖魯棒控制器計(jì)算出所需的航向扶正力矩和橫搖扶正力矩，再通過(guò)舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器分別根據(jù)航向扶正力矩和橫搖扶正力矩計(jì)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(tǒng)、翼舵伺服系統(tǒng)、鰭伺服系統(tǒng)、翼鰭伺服系統(tǒng)分別接受舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵、翼舵和鰭、翼鰭，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航向/橫搖的有效控制。
本發(fā)明通過(guò)舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器實(shí)現(xiàn)對(duì)舵角/翼舵角、鰭角/翼鰭角的分配。在建立系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能量模型的基礎(chǔ)上，以“系統(tǒng)能耗最小”為準(zhǔn)則，采用遺傳優(yōu)化算法對(duì)舵角/翼舵角、鰭角/翼鰭角進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的舵角/翼舵角組合和鰭角/翼鰭角組合。
本發(fā)明的船舶航向/橫搖控制系統(tǒng)為多輸入多輸出耦合系統(tǒng)，并且由于船舶航行狀態(tài)與海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，系統(tǒng)存在海風(fēng)、海浪、海流等隨機(jī)干擾和模型不確定性。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性能，采用魯棒控制技術(shù)設(shè)計(jì)船舶航向/橫搖聯(lián)合控制器。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)基于船舶航向/橫搖耦合狀態(tài)方程設(shè)計(jì)航向/橫搖聯(lián)合控制器，能更好的反映船舶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性； (2)充分利用了舵/翼舵對(duì)橫搖的減搖能力和鰭/翼鰭對(duì)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(yīng)用魯棒控制技術(shù)設(shè)計(jì)航向/橫搖聯(lián)合控制器，充分考慮了船舶運(yùn)動(dòng)模型的不確定性和隨機(jī)干擾，系統(tǒng)具有良好的魯棒性能。


圖1為船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯(lián)合控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖； 圖2為船舶航向/橫搖聯(lián)合魯棒控制器設(shè)計(jì)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(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 結(jié)合圖1，它包括信息處理單元、舵伺服系統(tǒng)、翼舵伺服系統(tǒng)、鰭伺服系統(tǒng)、翼鰭伺服系統(tǒng)、航向信號(hào)檢測(cè)裝置和橫搖信號(hào)檢測(cè)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(gè)部分。
信息處理單元接受來(lái)自航向檢測(cè)裝置和橫搖檢測(cè)裝置的船舶航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)，在信息處理單元中根據(jù)航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)采用航向/橫搖魯棒控制器計(jì)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(yōu)化得到一組舵角/翼舵角和鰭角/翼鰭角。舵伺服系統(tǒng)、翼舵伺服系統(tǒng)和鰭伺服系統(tǒng)、翼鰭伺服系統(tǒng)分別接受舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵、翼舵和鰭、翼鰭，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航向/橫搖的聯(lián)合控制。
結(jié)合圖2，本專利通過(guò)4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)魯棒控制器的設(shè)計(jì)。
第一步建立船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)方程 考慮船舶航向/橫搖運(yùn)動(dòng)的耦合影響，忽略其他自由度運(yùn)動(dòng)的影響，把舵、鰭以及海洋干擾產(chǎn)生的力矩統(tǒng)一看做對(duì)船舶航向/橫搖運(yùn)動(dòng)的作用力，可得到船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)方程，如下式所示。

其中

-----橫搖角；

-----艏搖角 Iz-----船體質(zhì)量對(duì)z軸的慣性矩； Ix-----船體質(zhì)量對(duì)x軸的慣性矩；

-----附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩；

-----與運(yùn)動(dòng)線速度或角速度相聯(lián)系的阻尼系數(shù)；

-----橫搖恢復(fù)力矩系數(shù) KR、NR-----舵產(chǎn)生的橫搖力矩、艏搖力矩 Kf、Nf-----鰭產(chǎn)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(shè)計(jì)。
設(shè)i時(shí)刻的舵角/翼舵角分別為αi和βi，此時(shí)，由控制器計(jì)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(shí)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(duì)于NR(αi+1，βi+1)，有 式中αH為舵與船體水動(dòng)力影響系數(shù)，xR為舵力作用點(diǎn)的縱向坐標(biāo)，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(shù)，u為船速。
在此需要注意的是當(dāng)|Ki|>NRmax時(shí)，需要令|Ki|＝NRmax。NRmax為襟翼舵(舵/翼舵)升力系數(shù)曲面的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的艏搖力矩值，我們將該點(diǎn)定義為失速點(diǎn)，失速點(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(jī)和翼舵機(jī)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(fā)揮舵/翼舵的節(jié)能效果，舵角/翼舵角分配規(guī)則遵循系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能量最小的原則。
舵/翼舵從αi/βi轉(zhuǎn)至αi+1/βi+1時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能量的表達(dá)式ΔJi+1為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能量的的計(jì)算模型
(6) 當(dāng)舵型參數(shù)確定后，ΔJi+1即為αi+1和βi+1的函數(shù)。因此，綜上所述，舵角/翼舵角分配規(guī)則為 采用改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化αi+1和βi+1以實(shí)現(xiàn)舵角/翼舵角分配規(guī)則。由于二進(jìn)制編碼簡(jiǎn)單易行，因此采用二進(jìn)制編碼，編碼長(zhǎng)度為10。編碼的范圍由式(4)和(5)確定，對(duì)于αi+1而言，其取值范圍應(yīng)該在

內(nèi)，且滿足|αi+1|<αmax；對(duì)于βi+1而言，其取值范圍應(yīng)該在

內(nèi)，且滿足|βi+1|<βmax。遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)選擇為 具體遺傳算法尋優(yōu)過(guò)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(guī)則相似。
第三步將運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行H2/H∞控制設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)形式 應(yīng)用H2/H∞控制技術(shù)設(shè)計(jì)船舶航向/橫搖聯(lián)合魯棒控制器，設(shè)計(jì)是基于船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行的，令x＝[x1 x2 x3 x4]T，x1＝ψ，


并將船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行H2/H∞控制設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ix為船舶對(duì)x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力影響系數(shù)，xR、zR分別為舵/翼舵水動(dòng)力作用點(diǎn)的縱向和垂向坐標(biāo)；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(zhǎng)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(dòng)力系數(shù)，考慮系統(tǒng)模型的參數(shù)不確定性，認(rèn)為Iz、Ix是定常的，具有不確定性的參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)形式的。
第四步定義船舶航向/橫搖控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)信號(hào) 對(duì)于船舶航向/橫搖控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)H∞性能主要與航向角、橫搖角有關(guān)，要求提高航向、減搖控制精度，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)海浪干擾和模型參數(shù)攝動(dòng)的魯棒性；對(duì)于系統(tǒng)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(duì)控制量的約束。據(jù)此定義船舶航向/橫搖控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)信號(hào)為

第五步求解船舶航向/橫搖聯(lián)合魯棒控制器 在獲得船舶航向/橫搖H2/H∞魯棒控制系統(tǒng)模型的系數(shù)矩陣，并且定義系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)信號(hào)之后，便可采用Matlab軟件中的LMI工具箱求解船舶航向/橫搖聯(lián)合魯棒控制器。
根據(jù)LMI工具箱求解得到系統(tǒng)魯棒控制器的控制系數(shù)，設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器。
權(quán)利要求
1、一種船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯(lián)合控制方法，其特征是航向檢測(cè)裝置和橫搖檢測(cè)裝置分別檢測(cè)船舶航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)，并將其傳輸給信息處理單元；在信息處理單元中根據(jù)航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)采用航向/橫搖魯棒控制器計(jì)算出所需的航向扶正力矩和橫搖扶正力矩，再通過(guò)舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器分別根據(jù)航向扶正力矩和橫搖扶正力矩計(jì)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(tǒng)、翼舵伺服系統(tǒng)、鰭伺服系統(tǒng)、翼鰭伺服系統(tǒng)分別接受舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵、翼舵和鰭、翼鰭，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航向/橫搖的有效控制。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯(lián)合控制方法，其特征是所述的根據(jù)航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)采用航向/橫搖魯棒控制器計(jì)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(yùn)動(dòng)方程
船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)方程為
其中
-----橫搖角；
-----艏搖角
Iz-----船體質(zhì)量對(duì)z軸的慣性矩；
Ix-----船體質(zhì)量對(duì)x軸的慣性矩；
-----附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩；
-----與運(yùn)動(dòng)線速度或角速度相聯(lián)系的阻尼系數(shù)；
-----橫搖恢復(fù)力矩系數(shù)
KR、NR-----舵產(chǎn)生的橫搖力矩、艏搖力矩
Kf、Nf-----鰭產(chǎn)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(shè)計(jì)設(shè)i時(shí)刻的舵角/翼舵角分別為αi和βi，此時(shí)，由控制器計(jì)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(shí)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(duì)于NR(αi+1，βi+1)，有
式中αH為舵與船體水動(dòng)力影響系數(shù)，xR為舵力作用點(diǎn)的縱向坐標(biāo)，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(shù)，u為船速；
當(dāng)|Ki|>NRmax時(shí)，需要令|Ki|＝NRmax；NRmax為襟翼舵升力系數(shù)曲面的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的艏搖力矩值，將該點(diǎn)定義為失速點(diǎn)，失速點(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(jī)和翼舵機(jī)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(zhuǎn)至αi+1/βi+1時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能量的表達(dá)式ΔJi+1為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能量的的計(jì)算模型
(6)
當(dāng)舵型參數(shù)確定后，ΔJi+1即為αi+1和βi+1的函數(shù)，舵角/翼舵角分配規(guī)則為
采用改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化αi+1和βi+1以實(shí)現(xiàn)舵角/翼舵角分配規(guī)則，采用二進(jìn)制編碼，編碼長(zhǎng)度為10，編碼的范圍由式(4)和(5)確定，對(duì)于αi+1而言，其取值范圍應(yīng)該在
內(nèi)，且滿足|αi+1|<αmax；對(duì)于βi+1而言，其取值范圍應(yīng)該在
內(nèi)，且滿足|βi+1|<βmax；遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)選擇為
第三步將運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行H2/H∞控制設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)形式
應(yīng)用H2/H∞控制技術(shù)設(shè)計(jì)船舶航向/橫搖聯(lián)合魯棒控制器，基于船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行的，令x＝[x1 x2 x3 x4]T，x1＝ψ，
并將船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行H2/H∞控制設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ix為船舶對(duì)x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力影響系數(shù)，xR、zR分別為舵/翼舵水動(dòng)力作用點(diǎn)的縱向和垂向坐標(biāo)；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(zhǎng)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(dòng)力系數(shù)，Iz、Ix是定常的，具有不確定性的參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)形式的；
第四步定義船舶航向/橫搖控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)信號(hào)
定義船舶航向/橫搖控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)信號(hào)為
第五步求解船舶航向/橫搖聯(lián)合魯棒控制器
在獲得船舶航向/橫搖H2/H∞魯棒控制系統(tǒng)模型的系數(shù)矩陣，并且定義系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)信號(hào)之后，采用Matlab軟件中的LMI工具箱求解船舶航向/橫搖聯(lián)合魯棒控制器。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種船舶舵/翼舵-鰭/翼鰭聯(lián)合控制方法。航向檢測(cè)裝置和橫搖檢測(cè)裝置分別檢測(cè)船舶航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)，并將其傳輸給信息處理單元；在信息處理單元中根據(jù)航向角信號(hào)和橫搖角信號(hào)采用航向/橫搖魯棒控制器計(jì)算出所需的航向扶正力矩和橫搖扶正力矩，再通過(guò)舵角/翼舵角分配器和鰭角/翼鰭角分配器分別根據(jù)航向扶正力矩和橫搖扶正力矩計(jì)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(tǒng)、翼舵伺服系統(tǒng)、鰭伺服系統(tǒng)、翼鰭伺服系統(tǒng)分別接受舵角、翼舵角和鰭角、翼鰭角指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵、翼舵和鰭、翼鰭，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航向/橫搖的有效控制。本發(fā)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(hào)G05D1/08GK101519117SQ20091007180
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者勝 劉, 亮 方, 冰 李, 李高云, 周麗明 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)