[發(fā)明專利]一種船舶舵減橫搖控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010039679.0
• 申請(qǐng)日: 2020-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN111221244A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉彥文;周昌盛;劉寅林;綦志剛;李松峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B11/42
• 分類號(hào): G05B11/42;G05B13/04;G05B13/02;B63B39/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開一種船舶舵減橫搖控制方法，包括：船舶線性化數(shù)學(xué)模型的建立，隨機(jī)海浪譜建模及仿真模塊搭建，舵機(jī)模型的建立；定義控制器的輸入信號(hào)e、輸入信號(hào)變化率ec及控制器輸出u的論域和模糊集合，然后根據(jù)|e|和|ec|的論域，將模糊控制策略分為三層，根據(jù)|e|和|ec|不同取值，系統(tǒng)分別采用外層、中層和內(nèi)層控制策略；定義e、ec及u的隸屬度函數(shù)，通過模糊推理法設(shè)計(jì)各層的控制策略；根據(jù)系統(tǒng)的魯棒性、快速性，擾動(dòng)抑制性能要求等指標(biāo)，選擇各層的量化和比例因子。本發(fā)明綜合了PID和模糊控制各自的優(yōu)點(diǎn)，并應(yīng)用了自適應(yīng)分層控制策略，保證了系統(tǒng)在不同海況不同遭遇頻率下都具有良好的控制性能和減搖效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于船舶減搖控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種船舶舵減橫搖控制方法，特別是一種基于自適應(yīng)分層模糊PID控制的船舶舵減橫搖控制方法。

背景技術(shù)

船舶在海上航行要受到海風(fēng)、海浪、海流等各種干擾極大限制了航行的速度，降低運(yùn)輸效率，不但影響船舶的操作性，而且還會(huì)影響船上貨物和人員的安全。因此船舶的舵減搖技術(shù)是船舶和海洋工程運(yùn)動(dòng)控制方面重要的課題之一。舵減橫搖系統(tǒng)是使用舵作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在維持航向的同時(shí)減小橫搖角。

舵減搖是一種主動(dòng)式減橫搖的方法，它是利用船舶的舵機(jī)，在保持航向的同時(shí)來減小橫搖。船舶在操舵的過程中會(huì)同時(shí)產(chǎn)生艏搖和橫搖兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，兩者相輔相合，而且彼此之間相互耦合，因此舵減橫搖控制系統(tǒng)是使用一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(一個(gè)控制量)來同時(shí)控制兩個(gè)輸出(橫搖和艏搖)，研究表明，船舶的橫搖頻率響應(yīng)和艏搖頻率響應(yīng)特性完全不同，橫搖頻率響應(yīng)基本上在高頻段，而艏搖頻率響應(yīng)基本上都在低頻段，并且船舶的橫搖自搖周期和艏搖周期對(duì)操舵的頻率響應(yīng)也有著明顯的不同，所以舵減橫搖控制器可以在原有的航向控制(自動(dòng)駕駛儀)的基礎(chǔ)上按照頻帶分離的思想進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。而且，只要正確合理地控制轉(zhuǎn)舵的頻率、方向、大小和相位，就能在不影響航向(艏搖)的前提下實(shí)現(xiàn)很好的舵減橫搖效果。

目前，國(guó)內(nèi)外舵減搖的技術(shù)日趨成熟，在大中型的船舶控制中獲得了較好的控制效果，而且舵減搖和其它減搖裝置相比，具有價(jià)格低廉，使用方便，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外對(duì)舵減搖控制方法都有大量的研究，但尚未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用基于自適應(yīng)分層模糊PID控制的方法進(jìn)行舵減搖的文獻(xiàn)和專利。

國(guó)外對(duì)舵減搖的研究，起始于19世紀(jì)70年代，一開始進(jìn)展比較緩慢，直到80年代，Baitis發(fā)表了相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，指出美國(guó)某艦艇系統(tǒng)加入舵減搖控制后達(dá)到了50％的減搖率。1987年，Vandert Klugt和Van Amerongen將LQG控制器應(yīng)用到舵減搖系統(tǒng)中，通過船模實(shí)驗(yàn)、實(shí)船海試及仿真驗(yàn)證了舵減搖的減搖效果和優(yōu)勢(shì)。至20世紀(jì)90年代，Yang Chengen、Stoustrop等人設(shè)計(jì)了舵減搖的H_∞控制器，得到了滿意的實(shí)驗(yàn)效果。1998年，Blanke等人提出了LQ控制算法和定量反饋的理論體系，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的舵減搖控制器。Oda等人使用多變量自回歸模型改進(jìn)了舵減搖系統(tǒng)。一些智能控制算法也應(yīng)用到了舵減搖領(lǐng)域中并取得了不錯(cuò)的效果。20年代，Perez和Tzcng利用模型預(yù)報(bào)的控制方法來實(shí)現(xiàn)舵減搖控制。2008年，Jong-Koo Park和Seong-Sik Yoon提出了一種舵減搖的動(dòng)態(tài)抗飽和算法。

國(guó)內(nèi)對(duì)舵減搖技術(shù)的研究起步較晚，主要在軍艦上實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的文獻(xiàn)也大都是一些針對(duì)簡(jiǎn)單模型的理論研究。1982年，繆國(guó)平指出了舵作為減搖裝置的可行性。90年代，朱文蔚、胡啟庸等用傳統(tǒng)PID控制方法設(shè)計(jì)舵減搖系統(tǒng)，指出減搖率可達(dá)50％。沈建清等設(shè)計(jì)了自適應(yīng)準(zhǔn)則的最優(yōu)舵減搖控制器，并進(jìn)行了仿真。鄭明輝等應(yīng)用傳統(tǒng)的模糊控制理論設(shè)計(jì)了舵減搖控制系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)，楊麗坤將閉環(huán)增益成形算法應(yīng)用到舵減搖系統(tǒng)中，仿真結(jié)果表明該算法具有魯棒性能，減搖率達(dá)到25％以上。田園將自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)應(yīng)用到舵減搖中，取得了25％的減搖率。徐言民等將混合遺傳算法應(yīng)用于舵減搖系統(tǒng)中，取得了較高的減搖率效果。

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