[發(fā)明專利]一種遠(yuǎn)洋船舶航向控制復(fù)合優(yōu)化節(jié)油方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110265287.0
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113031614B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳孟偉;張桂臣;魯潤
• 申請（專利權(quán)）人: 上海海事大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海元好知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31323
• 代理人: 張靜潔;曹媛

1.一種遠(yuǎn)洋船舶航向控制復(fù)合優(yōu)化節(jié)油方法，其特征在于，該方法包括：

S1、船舶參數(shù)初始化，其中，該船舶參數(shù)包括船舶幾何參數(shù)、主機(jī)參數(shù)、螺旋槳參數(shù)、舵機(jī)參數(shù)和艏側(cè)推參數(shù)；

S2、根據(jù)船舶航海試驗(yàn)報(bào)告獲取操縱性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，該試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括航速測試曲線、慣性試驗(yàn)結(jié)果、ZIG-ZAG操縱試驗(yàn)結(jié)果和回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果；

S3、營運(yùn)船離港隨動操舵模式，船舶特性識別，計(jì)算船舶增益Ks和船舶時(shí)間常數(shù)Ts；

S4、航向控制算法的DRNN系數(shù)和PID系數(shù)初值預(yù)置；

S5、船舶航行控制系統(tǒng)的信號采集與處理；

S6、遠(yuǎn)洋船舶航向控制復(fù)合優(yōu)化算法架構(gòu)；

S7、遠(yuǎn)洋船舶航向控制過程；

在所述步驟S2中，船舶滿載狀態(tài)下主機(jī)推進(jìn)功率對應(yīng)的船舶航速、吃水紀(jì)錄、全速與半速時(shí)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的回轉(zhuǎn)半徑；10度Zig-Zag試驗(yàn)數(shù)據(jù)、20度Zig-Zag試驗(yàn)數(shù)據(jù)、全速與半速時(shí)的停車距離試驗(yàn)；獲得船舶在不同轉(zhuǎn)速、不同吃水下的船舶慣性Ts和響應(yīng)增益Ks，并為初始值；

在所述步驟S4中，DRNN系數(shù)初始賦值如下：DRNN神經(jīng)元結(jié)構(gòu)為輸入層3個(gè)，回歸層9個(gè)，輸出層1個(gè)；連接權(quán)初值均采用隨機(jī)數(shù)；學(xué)習(xí)速率初值為η_N＝0.4、η_R＝0.4和η_o＝0.4；慣性系數(shù)初值為α＝0.4、β＝0.4、γ＝0.4；采樣間隔時(shí)間ts＝1s；PID系數(shù)初始賦值如下：PID增益學(xué)習(xí)速率η_p＝0.5、η_i＝0.001、η_d＝0.3；正實(shí)常數(shù)a_p＝22、b_p＝8.0、c_p＝0.8；a_i＝1、c_i＝1；a_d＝0.5、b_d＝2.5、c_d＝6.5、d_d＝0.3；航向偏差閾值ε＝2°，變速積分系統(tǒng)B＝0.4，C＝0.6；天氣系數(shù)D＝0；微分先行低通濾波系數(shù)ρ＝0.5；

在所述步驟S5中，船舶裝載狀態(tài)通過檢測艏吃水、舯吃水和艉吃水，計(jì)算出平均吃水，吃水與裝載量存在對應(yīng)關(guān)系，新造船提供裝載量-吃水關(guān)系表，輸入計(jì)算機(jī)后自動查表確定，裝載影響船舶穩(wěn)性和慣性大小；船舶運(yùn)動包括航速、艏搖角速度、艏搖頻率，通過GPS、電羅經(jīng)、計(jì)程儀檢測與計(jì)算得出；船舶推進(jìn)包括主機(jī)功率、螺旋槳的轉(zhuǎn)速、扭矩、推力及滑失率，通過艉軸扭矩儀檢測及計(jì)算得出；船舶操縱信號包括設(shè)定航向、實(shí)際航向角、實(shí)際舵角、操縱舵角，通過GPS、電羅經(jīng)、舵角表檢測得出；海況通過風(fēng)速記錄儀、GPS、船速計(jì)程儀檢測及計(jì)算出風(fēng)浪流數(shù)據(jù)；

在所述步驟S6中，航向控制復(fù)合算法包括航向規(guī)劃控制回路完成航向給定值變化的控制，航向保持控制回路完成航向的定值控制；EKF處理航向?qū)嶋H值ψ(k)、實(shí)際舵角δ(k)，船艏轉(zhuǎn)向速率將這些信號濾波處理后輸入DRNN進(jìn)行辨識，船舶實(shí)際航向與DRNN輸出的誤差為辨識調(diào)整信號，學(xué)習(xí)算法采用誤差梯度下降法優(yōu)化DRNN網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，船舶實(shí)際航向?qū)Χ娼亲兓腏acobian(雅克比)信息及誤差平方為性能指標(biāo)函數(shù)優(yōu)化PID增益，使船舶航向控制具有響應(yīng)快、自適應(yīng)能力和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；

本實(shí)施例中，在所述步驟S7中，首先判斷航向設(shè)定值狀態(tài)，若航向給定值是時(shí)變的，則系統(tǒng)自動選擇航向規(guī)劃控制；若航向給定值是常數(shù)，則系統(tǒng)自動選擇航向保持控制；都是基于航向偏差e(k)的負(fù)反饋控制，最終目標(biāo)是消除這個(gè)偏差e(k)；偏差特性主要反映在偏差方向、大小及變化速率；若偏差總存在某個(gè)方向，表明船舶裝貨偏重、或船舶遭受流或單側(cè)風(fēng)影響，常規(guī)自動舵需要壓舵，造成船行阻力大、耗油多；通過艏側(cè)推調(diào)整船艏向，舵繼續(xù)保持中位，但船艏向與單側(cè)風(fēng)流作用方向的合成方向?yàn)榇昂较颍簿褪呛骄€方向，消除了舵機(jī)附加阻力及附加油耗；如航向偏差e(k)小于閾值ε，積分起作用；e(k)大于ε，積分不起作用，防止系統(tǒng)超調(diào)、振蕩；變速積分根據(jù)偏差大小調(diào)整積分作用強(qiáng)弱，偏差越大則積分越弱；偏差小時(shí)則加強(qiáng)，防止超調(diào)、飽和及消除靜差時(shí)間長；梯形積分代替矩形積分可減小殘差、提供精度；微分作用易引起高頻干擾，航向誤差突變時(shí)尤其顯著，在微分環(huán)節(jié)上增加一階慣性環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)不完全微分作用，克服常規(guī)自動舵的不足；航向規(guī)劃控制采用微分先行算法，只對實(shí)際航向變化進(jìn)行微分，不對給定航向變化進(jìn)行微分，避免設(shè)定航向時(shí)引起系統(tǒng)振蕩。