[發明專利]一種船舶舵減橫搖控制方法

在審

• 申請號: 202010039679.0
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111221244A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 劉彥文;周昌盛;劉寅林;綦志剛;李松峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42;G05B13/04;G05B13/02;B63B39/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種船舶舵減橫搖控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：建立船舶舵減搖系統各部分數學模型：給定額定航速，代入船舶的水動力導數，建立以舵角和海浪干擾為輸入，橫搖角和艏搖角為輸出的船舶線性化模型和仿真模塊；建立舵機的模型和仿真模塊，模型中包含對舵角和舵速的非線性限制環節；根據海浪的P-M譜，利用分段疊加法進行海浪干擾建模；

步驟二：選擇三層的自適應模糊控制策略作為橫搖控制器，采集船舶橫搖角信號設定期望橫搖角r為0，定義橫搖控制器的輸入e為橫搖角輸入變化率ec為橫搖角速率控制器輸出u為舵角δ；

定義e、ec及u的論域均為{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}，將論域按偏差大小分為3層，論域的大小遵循由外層至中層再至內層逐漸減小的原則，然后根據|e|和|ec|的論域，將模糊控制策略分為三層：當|e|2.5或|ec|2.5時，系統采用外層控制策略；當1.25|e|≤2.5或1.25|ec|≤2.5時，系統采用中層控制策略；當|e|≤1.25或|ec|≤1.25時，系統采用內層控制策略；

步驟三：定義e、ec及u的隸屬度函數，通過模糊推理法設計各層的控制策略：對于外層，e和ec的論域集合為[-5，-2.5]和[2.5，5]的并集，設e、ec及u的模糊子集服從三角形隸屬度函數，建立外層的橫搖模糊控制規則庫，繪制e、ec及u的曲面圖；對于中層，e和ec的論域集合為[-2.5，-1.25]和[1.25，2.5]的并集，設e、ec及u模糊子集服從三角形隸屬度函數，建立中層的橫搖模糊控制規則庫，繪制e、ec及u的曲面圖；對于內層，e和ec的論域集合均為[-1.25，1.25]，設e、ec及u模糊子集服從三角形和梯形隸屬度函數，建立內層的橫搖模糊控制規則庫，繪制e、ec及u的曲面圖。

步驟四：引入海浪干擾，對船舶減搖的閉環系統進行仿真，觀察系統的時域階躍響應特性，繪制閉環靈敏度特性及開環奈奎斯特圖，根據系統的魯棒性，快速性，超調量，擾動抑制要求，結根據PID控制器的參數優化設計和選擇規則，選擇各層的輸入比例因子K_e(i)、K_ec(i)和輸出量化因子K_u(i)，i＝1,2,3，分別表示外層、中層和內層。

2.根據權利要求1所述的一種船舶舵減橫搖控制方法，其特征在于：步驟三所述模糊控制器的輸入誤差e、誤差變化率ec和輸出控制量u的論域集合和模糊子集滿足：

e、ec及u的論域均為{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}，每層控制輸入有九個模糊集合，每層最多有81個模糊規則，模糊決策采用Mamdani決策法；

分層模糊控制器是由多個多輸入單輸出模糊系統組成的，由一組If-Then控制規則組成，具體形式如下：

If x₁是A_1j，x₂是A_2j，…，x_n是A_nj，Then y_j＝b_j

其中x₁，x₂，…，x_n是系統變量，y_j是輸出變量，

A_ij∈A(i＝1,2,..,n；j＝1,2,...,m)b_j∈B(j＝1,2,...,m)，A，B為模糊集；

隸屬函數值描述了變量x_i和模糊子集A_ij的對應程度；

第j條規則得到的控制輸出：

則y_j滿足

其中X＝(x₁,x₂,...,x_n)^T；

模糊控制的總輸出通過以下方式獲得：

其中：k是模糊規則的個數，n是輸入的個數。

3.根據權利要求1或2所述的一種船舶舵減橫搖控制方法，其特征在于：步驟四所述選擇各層的輸入比例因子K_e(i)、K_ec(i)和輸出量化因子K_u(i)，i＝1,2,3具體為：

K_e(i+1)＝0.5K_e(i)

K_ec(i+1)＝2K_ec(i)

K_u(i+1)＝0.5K_u(i) 。