[發明專利]一種基于因式分解非線性廣義最小方差的舵減搖控制方法

在審

• 申請號: 201910051704.4
• 申請日: 2019-01-21
• 公開（公告）號: CN109782598A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 劉志全;陸瀟楊;高迪駒
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 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

本發明公開了一種基于因式分解非線性廣義最小方差的舵減搖控制方法，包括以下步驟：(1)建立舵減搖系統多項式模型；(2)設計比例微分航向控制器并得到航向控制閉環的多項式模型；(3)合并被控對象連續模型并分成線性和非線性兩部分，將線性擾動模型、線性輸入參考信號模型和合并線性被控對象模型組合為左互質的離散多項式矩陣模型；(4)求輸入信號和擾動信號的合并功率譜，并設計最優化目標函數；(5)獲取橫搖誤差信號；(6)根據因式分解非線性廣義最小方差方法設計橫搖減搖控制規律，計算橫搖減搖舵角控制指令信號；(7)判斷控制效果是否滿意，如果“是”則結束控制，如果“否”則更新狀態返回步驟(5)重新計算舵減搖控制指令信號。

技術領域

本發明涉及船舶運動控制領域，特別是涉及一種基于因式分解非線性廣義最小方差的舵減搖控制方法。

技術背景

船舶在海上航行不可避免產生六自由度搖擺運動，船舶搖擺運動過程橫搖運動較為劇烈，過大的橫搖運動嚴重影響船載電氣設備的正常運行和船員的舒適度；艏搖運動決定船舶航向保持精度，它們都是船舶運動控制中的重要問題。對于橫搖減搖最有效的裝置是減搖鰭，但是價格昂貴并且安裝和維護成本高。自動舵作為艏搖(航向)控制的執行機構，是常規船舶必須裝備的，在操舵運動的同時可產生附加橫搖力矩實現輔助減橫搖，舵減搖裝置具有節省空間、價格低廉維護成本低、易于現有船舶安裝和改造等優勢。舵減搖控制已被一些學者做大量研究，例如增益調節控制、舵減搖滑?？刂频?，常規多輸入多輸出舵減搖控制系統結構如圖1所示。

但是舵減搖控制系統有兩個明顯的缺點需要克服，第一是需要對舵角和舵角速度進行約束避免過大幅度的舵角造成舵機損壞，因此液壓舵機伺服系統存在非線性飽和環節；第二是舵-橫搖傳遞函數為一個非最小相位環節，容易引起系統不穩定。非線性廣義最小方差控制方法是基于多項式系統的一種最優化控制方法，通過設計最優化目標函數中的誤差權重和控制權重來處理舵機伺服系統的非線性動態和舵-橫搖的非最小相位問題，具有易于實現的優點，非線性廣義最小方差控制的最優化目標函數如下：

φ₀(t)＝P_ce(t)+(F_cu)(t)

其中：為誤差權重，F_c(z^-1)為控制權重，e(t)為橫搖誤差信號，u(t)為舵角控制信號。

該種方法對非線性環節沒有具體要求，可將非線性環節看成黑箱系統，在船舶運動控制中得到成功應用，但是當非線性廣義最小方差控制器中的控制權重趨于零時，舵減搖控制系統中舵-橫搖非最小相位環節將不能被鎮定，進而導致控制效果變差，不能保證整個控制系統的魯棒性。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提出一種基于因式分解非線性廣義最小方差的舵減搖控制方法，解決在非線性廣義最小方差舵減搖控制器中控制權重趨于零的條件下控制系統的魯棒性問題。

本發明的技術提供的解決方案是：一種基于因式分解非線性廣義最小方差的舵減搖控制方法，具體步驟包括：

(1)建立舵減搖系統多項式模型，包括，橫搖線性模型G_φ，艏搖線性模型G_ψ，舵-橫搖非最小相位環節線性模型G_δφ,舵機非線性模型G_δ，輸入參考信號線性模型G_r和海浪擾動線性模型G_d；

(2)根據PID控制規律設計比例微分航向控制器C_ψ并得到航向控制閉環的多項式模型G_φδ，整個控制系統退化為一個單閉環橫搖減搖控制系統；

在步驟(2)中的航向控制閉環的多項式模型采用如下公式計算：