[發明專利]一種基于模糊控制法的高速三體船減縱搖控制方法

在審

• 申請號: 201710502482.4
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107247413A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 原新;張欣
• 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

本發明屬于高速三體船減縱搖控制領域，尤其涉及一種基于模糊控制法的高速三體船減 縱搖控制方法。

背景技術

控制器在高速船的減搖中的使用一直是三體船性能研究中的重點部分，而控制算法的設 計也一直都是控制工程中重要的課題。有別于傳統控制器的設計，模糊控制不需要研究系統 的一些行為參數，而是更偏向于對操作者的經驗總結，歸納。

現今模糊控制方法在船舶控制方面的應用多集中于單體船、低速船的控制，針對現在逐 漸在軍事和民用上都越來越被重視的高速、細長型三體船來說，如何實現在船舶縱向運動系 統中引入適合的控制方法，進而提升高速三體船的縱向運動性能，提高乘客舒適度以及軍用 三體船作戰穩定度是現在國內學者們還在重點研究的問題。傳統PID控制方法雖然簡單，但 是其靈活性差，可靠性差，只適用于被控對象參數不變，非線性不嚴重的系統，在非線性控 制方面無法實現準確跟蹤和控制，在高速三體船處在復雜運行環境中，無法及時根據實時情 況進行控制規則的調整和優化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種改善在不規則海浪中高速運行的細長三體船縱向運動特性的 基于模糊控制法的高速三體船減縱搖控制方法。

本發明一種基于模糊控制法的高速三體船減縱搖控制方法包含以下步驟：

步驟一：模擬實際海況，在傳統海浪模型基礎上引入附加遭遇頻率，建立隨機海浪模型；

步驟二：利用隨機海浪模型，使用ANSYS平臺分析獲得高速三體船水動力系數，根據 水動力系數建立高速三體船縱向運動數學模型，得到高速三體船縱向運動響應垂蕩高度和縱 搖角度；

步驟三：針對縱向運動響應垂蕩高度和縱搖角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)設 計模糊控制方法的隸屬函數，通過隸屬函數將輸入量映射為輸入論域的模糊集合，設計7*7 高速三體船模糊控制規則，得到模糊控制輸出迎流攻角改變量α；

步驟四：建立減搖附體T型翼和壓浪板的計算模型，將迎流攻角改變量α作為減搖附體 計算模型輸入，經過減搖附體T型翼和壓浪板計算模型運算之后產生縱向改變力和力矩，反 饋作用在高速三體船縱向運動系統。

步驟一所述的隨機海浪模型具體為：

其中，A＝8.10×10^-3g²，ε_i代表構成海浪波的相位角，是在(0，2π)區間 內的隨機變量，即ε_i＝rand(0,2π)；N為樣本數，V為海浪相對于靜態三體船的速度即三體 船航速，H為海面上的平均潮高。

步驟二所述的高速三體船縱向運動模型建立過程具體為：

(1)將隨機海浪模型作為整個程序的始端輸入，模塊由兩個部分構成，分別為“海浪-力運 動方程”和“力-垂蕩縱搖”模型；

(2)將AQWA分析得到的水動力系數作為輸入，在MATLAB平臺中使用“ss2tf”函數進行 實現，根據水動力系數和遭遇頻率范圍得到縱向運動模型，輸出為高速三體船縱向運動響應 垂蕩高度和縱搖角度。

步驟三所述的模糊控制方法設計具體為：

(1)模糊化：通過隸屬函數將輸入量映射成系統輸入論域中的模糊量集合，模糊變量有輸 入量垂蕩高度和縱搖角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)，以及輸出量減搖附體迎流攻 角改變量α，其中h代表垂蕩高度，p代表縱搖角度，微分形式指其變化速度，α為迎流攻 角期望角度與實際角度的差值；

(2)規則建立：兩個輸入量的模糊子集設計為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，輸出 量的模糊子集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，輸入輸出論域都為[-3,3]；

(3)模糊推理：采用三段式推理即大前提，小前提以及結論，模糊推理中，設X是輸入， Y是輸出，而A與B是模糊子集，則多輸入--單輸出推理規則如下：

大前提：if X₁＝A，and X₂＝B，then Y＝C

小前提：X₁＝A，and X₂＝B

結論：Y＝C

(4)清晰化：選擇重心法(centroid)來進行變量清晰化，并將清晰值轉化為實際輸出值， 若重心z₀的變化范圍是[z_min,z_max]，則實際的輸出量變化范圍為[a_min,a_max]。

步驟四所述的減搖附體T型翼和壓浪板計算模型具體為：