[发明专利]一种远洋船舶航向控制复合优化节油方法

权利要求书

1.一种远洋船舶航向控制复合优化节油方法，其特征在于，该方法包括：

S1、船舶参数初始化，其中，该船舶参数包括船舶几何参数、主机参数、螺旋桨参数、舵机参数和艏侧推参数；

S2、根据船舶航海试验报告获取操纵性试验数据，其中，该试验数据包括航速测试曲线、惯性试验结果、ZIG-ZAG操纵试验结果和回转试验结果；

S3、营运船离港随动操舵模式，船舶特性识别，计算船舶增益Ks和船舶时间常数Ts；

S4、航向控制算法的DRNN系数和PID系数初值预置；

S5、船舶航行控制系统的信号采集与处理；

S6、远洋船舶航向控制复合优化算法架构；

S7、远洋船舶航向控制过程；

在所述步骤S2中，船舶满载状态下主机推进功率对应的船舶航速、吃水纪录、全速与半速时回转试验的回转半径；10度Zig-Zag试验数据、20度Zig-Zag试验数据、全速与半速时的停车距离试验；获得船舶在不同转速、不同吃水下的船舶惯性Ts和响应增益Ks，并为初始值；

在所述步骤S4中，DRNN系数初始赋值如下：DRNN神经元结构为输入层3个，回归层9个，输出层1个；连接权初值均采用随机数；学习速率初值为η_N＝0.4、η_R＝0.4和η_o＝0.4；惯性系数初值为α＝0.4、β＝0.4、γ＝0.4；采样间隔时间ts＝1s；PID系数初始赋值如下：PID增益学习速率η_p＝0.5、η_i＝0.001、η_d＝0.3；正实常数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；航向偏差阈值ε＝2°，变速积分系统B＝0.4，C＝0.6；天气系数D＝0；微分先行低通滤波系数ρ＝0.5；

在所述步骤S5中，船舶装载状态通过检测艏吃水、舯吃水和艉吃水，计算出平均吃水，吃水与装载量存在对应关系，新造船提供装载量-吃水关系表，输入计算机后自动查表确定，装载影响船舶稳性和惯性大小；船舶运动包括航速、艏摇角速度、艏摇频率，通过GPS、电罗经、计程仪检测与计算得出；船舶推进包括主机功率、螺旋桨的转速、扭矩、推力及滑失率，通过艉轴扭矩仪检测及计算得出；船舶操纵信号包括设定航向、实际航向角、实际舵角、操纵舵角，通过GPS、电罗经、舵角表检测得出；海况通过风速记录仪、GPS、船速计程仪检测及计算出风浪流数据；

在所述步骤S6中，航向控制复合算法包括航向规划控制回路完成航向给定值变化的控制，航向保持控制回路完成航向的定值控制；EKF处理航向实际值ψ(k)、实际舵角δ(k)，船艏转向速率将这些信号滤波处理后输入DRNN进行辨识，船舶实际航向与DRNN输出的误差为辨识调整信号，学习算法采用误差梯度下降法优化DRNN网络权值，船舶实际航向对舵角变化的Jacobian(雅克比)信息及误差平方为性能指标函数优化PID增益，使船舶航向控制具有响应快、自适应能力和抗干扰能力强的优点；

本实施例中，在所述步骤S7中，首先判断航向设定值状态，若航向给定值是时变的，则系统自动选择航向规划控制；若航向给定值是常数，则系统自动选择航向保持控制；都是基于航向偏差e(k)的负反馈控制，最终目标是消除这个偏差e(k)；偏差特性主要反映在偏差方向、大小及变化速率；若偏差总存在某个方向，表明船舶装货偏重、或船舶遭受流或单侧风影响，常规自动舵需要压舵，造成船行阻力大、耗油多；通过艏侧推调整船艏向，舵继续保持中位，但船艏向与单侧风流作用方向的合成方向为船舶航向，也就是航线方向，消除了舵机附加阻力及附加油耗；如航向偏差e(k)小于阈值ε，积分起作用；e(k)大于ε，积分不起作用，防止系统超调、振荡；变速积分根据偏差大小调整积分作用强弱，偏差越大则积分越弱；偏差小时则加强，防止超调、饱和及消除静差时间长；梯形积分代替矩形积分可减小残差、提供精度；微分作用易引起高频干扰，航向误差突变时尤其显著，在微分环节上增加一阶惯性环节实现不完全微分作用，克服常规自动舵的不足；航向规划控制采用微分先行算法，只对实际航向变化进行微分，不对给定航向变化进行微分，避免设定航向时引起系统振荡。