[發明專利]一種基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制器及其控制方法

有效

• 申請號: 201410080540.5
• 申請日: 2014-03-06
• 公開（公告）號: CN103901775A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 彭秀艷;唐立志;王顯峰;王輝;賈書麗
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于船舶工程、控制科學與控制工程領域，涉及一種基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制器及其控制方法。

背景技術

船舶航行時，操舵時不僅能產生首搖力矩，而且同時產生橫搖力矩可以抵消波浪產生的橫搖力矩，從而達到減搖的目的。舵減橫搖作為一項新的減搖技術，以它卓越的性價比受到了廣泛的關注。目前所研究的成果包括經典PID控制、神經網絡控制、LQG控制、閉環增益控制、魯棒控制、預測控制等等。

在船舶運動建模中總是依據一定的假設，對船舶的運動方程進行線性簡化處理，在實際系統中，船舶運動是具有時變性(或參數攝動)和非線性特征的。因此，線性模型不能很好地反映船舶的橫搖運動。T-S模糊系統模型是一種為非線性系統進行模糊建模的有效方法。利用模糊規則將局部線性系統模型進行整合，因此可以用較少的規則來描述多輸入/輸出復雜的非線性系統的動態特性。執行機構舵機存在飽和非線性這類物理約束，輸入變量的幅值是有界的。舵機作為執行元件，當舵機打到一定位置后，就不能再開大了，即舵機的幅值作為控制變量是有界的，這就要求在控制器輸出的舵角進入舵機前，應該盡量接近或者進入舵機的幅值設定范圍內，以免舵角幅值過于飽和，從而加速了對于舵機元件的磨損和破壞，進而影響了控制效果。雖然在實際應用中往往忽略這個問題，但多數情況下，在控制器設計中忽略輸入約束將會導致系統性能變差，甚至不穩定。所以在設計模糊控制器時，有必要考慮有界的控制輸入對閉環系統性能的影響，特別是對閉環穩定性的影響，并且控制器設計引入輸入約束后，能夠一定程度上降低舵機的磨損，更符合實際工程的應用。

發明內容

本發明的目的是提出一種更符合工程實際應用的基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制器，本發明的目的還在于提出一種基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制控制方法。

本發明的目的是這樣實現的：

基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制器，包括T-S模糊控制器模塊、船舶橫向運動參考模型模塊、首搖角速度和橫搖角速度觀測器模塊、舵機伺服系統的模擬模塊及控制效果的模擬仿真分析模塊，T-S模糊控制器模塊的輸入信號為橫漂速度v、實際首搖角信號ψ、實際輸出的橫搖角信號首搖角速度和橫搖角速度輸觀測器模塊輸出的橫搖角速度和首搖角速度期望航向指令ψ_d；舵機伺服系統模擬模塊的輸出端與船舶橫向運動參考模型模塊輸出端橫搖角、首搖角信號被引出，輸入給首搖角速度和橫搖角速度輸觀測器模塊，經過觀測，作為輸入信號端，引入T-S模糊控制器模塊；船舶橫向運動參考模型模塊的輸出為船舶的實際橫搖角信號和首搖角信號，將每個信號分為兩支分別引入控制效果模擬仿真分析模塊和T-S模糊控制器模塊；期望航向指令被引出，輸入給T-S模糊控制器模塊。

一種基于T-S模型帶有輸入約束的舵減橫搖模糊控制方法，包括：

（1）描述船舶橫向運動數學非線性模型：

其中u為縱蕩速度，為縱蕩加速度，v為橫蕩速度，為橫蕩加速度，r為首搖角速度，為首搖角加速度，p為橫搖角速度，為橫搖角加速度，為橫搖角，x_G為船舶質心到x軸距離，z_G為船舶質心到z軸距離，I_z為船體對y-z平面的轉動慣量，I_x為船體對x-y平面的轉動慣量，▽為船舶的排水量，g為重力加速度，ρ是水的密度，是重心G到穩心M的距離，是恢復力臂，而X,Y,N和K分別代表水動力力和力矩；

（2）將非線性船舶橫向方程轉化為T-S模糊模型：

對非線性系統進行線性化，用船舶橫向運動數學非線性模型，忽略其一階以上的高階項，有5個狀態變量：

簡化后為：