[發明專利]一種船用舵鰭聯合減搖控制系統

有效

• 申請號: 202110755037.5
• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113419422B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 孫明曉;張文玉;欒添添;謝春旺;胡占永;王萬鵬;付強;原張杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;B63B39/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種基于改進模型預測控制抗干擾的舵鰭聯合減搖控制系統，旨在解決常規舵鰭聯合減搖控制系統存在時變干擾、模型失配和頻繁操舵操鰭問題，具體包括以下步驟：構建了考慮時變干擾的離散化三自由度船舶數學模型；以舵角鰭角作為系統輸入，設計滑模觀測器對干擾和系統輸出進行實時觀測，并將其反饋給模型預測控制器(MPC)；MPC基于擾動增量式數學模型對系統動態輸出進行預測，設定期望輸出值，將船舶運動控制問題轉化為求解二次規劃最優解問題，在添加舵角鰭角等約束條件下求解出最優控制律；濾波器對控制律進行高頻降噪。本發明觀測精度高，減搖效果好，抗擾能力強，避免頻繁操舵操鰭引起的執行機構磨損和能源損耗。

技術領域

本發明屬于船舶減搖領域，具體涉及一種改進模型預測控制抗干擾的舵鰭聯合減搖控制系統。

背景技術

艦船在海上航行時遭受風浪和惡劣天氣的影響會產生劇烈的搖晃，嚴重的橫搖會損壞船體，甚至危機貨物設備及人員的安全，從而造成重大的事故。大部分艦船常常通過操縱減搖鰭來減小干擾引起的橫搖，單獨利用舵來保持航向，而這種單獨的控制方式不利于船舶綜合控制性能的提高，伴隨著艦船編隊、護航補給、反潛防空等任務的增加，對艦船平臺提出了更高的穩定性要求。為此，對艦船等水面航行器采用舵鰭聯合減搖控制不僅可以保證更加穩定的生活平臺，同時對于減少能源消耗和執行機構磨損也尤為重要。

船舶在海上航行時難以避免的遭受多來源多類型的干擾，控制系統的動態性能和穩態精度常常會受到干擾的嚴重影響，甚至會破壞閉環系統的穩定性。舵鰭聯合減搖控制系統可以等價為一個二輸入多輸出的非線性系統，存在時變干擾、模型失配、頻繁操舵操鰭等問題，在滿足執行機構的輸入約束前提下，設計舵角鰭角控制律是亟待解決的難點。

論文《基于航速損失約束的船舶橫搖/航向控制研究》和《基于反饋線性化的船舶舵鰭聯合減搖MPC控制》設計的模型預測控制器(MPC)，存在以下問題：

(1)線性化過后的數學模型簡單，設計常規的MPC未考慮外界干擾對船舶系統輸出的不利影響，難以準確的預測系統的動態輸出；

(2)求解控制律的約束條件中未加入角速度約束，會頻繁操舵導致航向不斷發生變化，增加舵機構磨損和能源損耗。

論文《基于等價輸入干擾滑模觀測器的磁懸浮球系統模型預測控制》提供的方法與本發明的改進模型預測控制器相比，有以下問題：

(1)未充分利用觀測得到的干擾值，只是簡單的前饋結合控制律去抵消外界干擾，沒有考慮補償后的復合控制律是否滿足機構輸入約束問題；

(2)觀測器只對規律波進行干擾觀測，未觀測時變未知干擾，實際意義不足。

發明內容

為解決常規舵鰭聯合減搖控制系統中存在時變干擾、模型失配和頻繁操舵操鰭的問題，本發明提出了一種改進模型預測控制抗干擾的舵鰭聯合減搖控制系統，所述方法操作簡單、計算量小、實用性強。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

設計了一種基于改進模型預測控制抗干擾的舵鰭聯合減搖控制系統，具體包括MPC模型預測控制器、滑模觀測器、船舶運動系統、濾波器。首先構建了考慮時變干擾的離散化三自由度船舶數學模型；其次，以舵角鰭角作為系統輸入，設計滑模觀測器對時變干擾和系統輸出進行實時觀測，并將其反饋給MPC；然后，MPC基于擾動增量式數學模型對系統未來動態進行預測，設定期望輸出值，搭建目標函數，將船舶運動控制問題轉化為求解二次規劃最優解問題，在添加舵鰭等約束條件的情況下求解出最優控制律；最后通過濾波器對控制律進行高頻降噪和柔順處理，仿真結果驗證該系統觀測精度高，減搖效果好，抗擾能力強，避免了頻繁操舵操鰭引起的執行機構磨損和能源損耗。具體包括以下步驟：

步驟一、構建考慮時變干擾的離散線性化的船舶三自由度(橫搖、艏搖、橫蕩)數學模型：