[發明專利]一種基于能量優化的綜合減搖裝置雙重神經網絡自整定PID控制方法

有效

• 申請號: 201410653257.7
• 申請日: 2014-11-17
• 公開（公告）號: CN104527943A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 于立君;劉少英;王輝;陳佳;張波波;關作鈺;王正坤;李灝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: B63B39/00
• 分類號: B63B39/00;B63B9/00
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

1.一種基于能量優化的綜合減搖裝置雙重神經網絡自整定PID控制方法，其特征是：

(1)建立綜合減搖系統模型，以海浪波傾角作為綜合減搖系統輸入

當船舶同時裝備減搖鰭和被動式減搖水艙，減搖鰭產生扶正力矩時，綜合減搖系統模型為：

(I1+Jt+C)φ··+(2Nφ+B)φ·+(Dh′+A)φ-ρtS0b2z··-2ρtgS0Rz=Kω2ρtS0λtz··+2Ntz·+2ρtgS0z-ρtS0b2φ··-2ρtgS0Rφ=0]]>

其中，A=lfρtV2AF∂Cy∂αKhKI,B=lfρtV2AF∂Cy∂αKhkP,]]>l_f為自減搖鰭上水動力壓力中心到船舶重心的作用力臂，ρ_t為海水密度，V為航速，A_F為減搖鰭的投影面積，為升力系數斜率，φ為橫搖角，為橫搖角速度，為橫搖角加速度，K_h為航速調節系數，K_I、K_P、K_D為PID參數，它們分別為KI=DhFlfρtAF∂Cy∂αV2,]]>KD=I1FlfρtAF∂Cy∂αV2,]]>h為初穩心高，F為常數，K_ω＝Dhα_e?cosωt為擾動力矩，I1為相對于通過船舶重心的縱軸的慣量和附加慣量之和，為艙內液體對橫搖軸的質量慣性矩，S為沿水艙軸線的法線方向的局部截面積，r為微質量dm的質心到橫搖軸的距離微質量，為船舶阻尼系數，D為排水量，h′為加入水艙后穩心高，ρ_t為海水密度，S₀為邊艙自由液面面積，為水艙軸線對橫搖軸的靜壓力矩，γ為r與d之間的夾角，dl為液體微體積沿水艙軸線的長度，l為U型水艙軸線長度，z為邊艙內水位高度，為艙內水柱相當長度，N_t為水艙阻尼系數，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)建立綜合減搖系統性能指標

綜合減搖系統性能指標可表示為：

J=1/T∫0T[σ2+λ1(p-13.5%)2+λ2E2]dT]]>

式中，σ²為橫搖角方差，λ₁和λ₂為加權系數，p為鰭角飽和率，E²為減搖鰭系統工作消耗的能量，

根據隨機理論，減搖后船舶橫搖角方差為：

減搖鰭性能指標要求鰭角最大為22°，即θ_m＝22°，鰭角飽和率為13.5％時的鰭角的方差為：

[σθ]2=-θm2/(21np)]]>

驅動減搖鰭系統的能量消耗為：

E=2E′/η=I∫0∞Sθ(ωe)dωeη]]>

式中，η為液壓傳動系統的傳輸效率，

則綜合減搖系統性能指標為：

J=1T∫0T{12π∫0∞|Φ(jω)|2Sαw(ωe)dωe+λ1[exp(-θm2/2[σθ]2)-13.5%]dt+λ2I∫0∞Sθ(ωe)dωeη}dT]]>式中：S_αw(ω)為海浪的等效波傾角譜密度，Φ(jω)為綜合減搖系統開環傳遞函數，S_θ(ω_e)鰭角角速率的譜密度，I為減搖鰭繞鰭軸的轉動慣量，[σ_θ]²為鰭角方差，_η為傳動系統的傳輸效率，λ₁和λ₂為權系數，T為橫搖周期；

(3)利用雙重神經網絡在線調整PID控制器的參數K_P、K_I和K_D，實現PID參數自整定；雙重神經網絡包括系統辨識神經網絡NN1和參數自整定神經網絡NN2，系統辨識神經網絡NN1用于識別和預測綜合減搖系統輸入與輸出的動態關系；參數自整定神經網絡NN2用于在線自整定PID控制器的參數；

(4)在實時海況條件下，PID控制器中加入延遲環節

在雙重神經網絡自整定PID控制器中加入滯后環節，在中、低海情下，PID控制器輸出延遲時間為t＝0.335～0.475T₁，T₁為水艙振蕩周期，在高海情下，PID控制器輸出延時時間t＝0.122～0.239T₁；

(5)實時更新PID控制參數，得到最優的PID參數值，優化綜合減搖系統性能指標

通過步驟(3)和步驟(4)得到最優PID參數K_P、K_I和K_D，優化綜合減搖系統輸出的橫搖角和鰭角速率，在任何海情下，優化后的平均鰭角速率不超過5°/s，并使優化后的減搖效率達到80％以上，否則重復執行步驟(3)和(4)，

減搖效率R為：

R=φ‾-φ0‾φ0‾]]>

式中：為未安裝減搖鰭時橫搖角平均值；為安裝減搖鰭時橫搖角平均值。