[发明专利]一种船舶舵减横摇控制方法

说明书

本发明公开一种船舶舵减横摇控制方法，包括：船舶线性化数学模型的建立，随机海浪谱建模及仿真模块搭建，舵机模型的建立；定义控制器的输入信号e、输入信号变化率ec及控制器输出u的论域和模糊集合，然后根据|e|和|ec|的论域，将模糊控制策略分为三层，根据|e|和|ec|不同取值，系统分别采用外层、中层和内层控制策略；定义e、ec及u的隶属度函数，通过模糊推理法设计各层的控制策略；根据系统的鲁棒性、快速性，扰动抑制性能要求等指标，选择各层的量化和比例因子。本发明综合了PID和模糊控制各自的优点，并应用了自适应分层控制策略，保证了系统在不同海况不同遭遇频率下都具有良好的控制性能和减摇效果。

技术领域

本发明属于船舶减摇控制技术领域，具体地说是一种船舶舵减横摇控制方法，特别是一种基于自适应分层模糊PID控制的船舶舵减横摇控制方法。

背景技术

船舶在海上航行要受到海风、海浪、海流等各种干扰极大限制了航行的速度，降低运输效率，不但影响船舶的操作性，而且还会影响船上货物和人员的安全。因此船舶的舵减摇技术是船舶和海洋工程运动控制方面重要的课题之一。舵减横摇系统是使用舵作为执行机构，在维持航向的同时减小横摇角。

舵减摇是一种主动式减横摇的方法，它是利用船舶的舵机，在保持航向的同时来减小横摇。船舶在操舵的过程中会同时产生艏摇和横摇两个运动，两者相辅相合，而且彼此之间相互耦合，因此舵减横摇控制系统是使用一个执行机构(一个控制量)来同时控制两个输出(横摇和艏摇)，研究表明，船舶的横摇频率响应和艏摇频率响应特性完全不同，横摇频率响应基本上在高频段，而艏摇频率响应基本上都在低频段，并且船舶的横摇自摇周期和艏摇周期对操舵的频率响应也有着明显的不同，所以舵减横摇控制器可以在原有的航向控制(自动驾驶仪)的基础上按照频带分离的思想进行单独设计。而且，只要正确合理地控制转舵的频率、方向、大小和相位，就能在不影响航向(艏摇)的前提下实现很好的舵减横摇效果。

目前，国内外舵减摇的技术日趋成熟，在大中型的船舶控制中获得了较好的控制效果，而且舵减摇和其它减摇装置相比，具有价格低廉，使用方便，占用空间小等优点，因此被广泛的应用。国内外对舵减摇控制方法都有大量的研究，但尚未发现应用基于自适应分层模糊PID控制的方法进行舵减摇的文献和专利。

国外对舵减摇的研究，起始于19世纪70年代，一开始进展比较缓慢，直到80年代，Baitis发表了相关实验报告，指出美国某舰艇系统加入舵减摇控制后达到了50％的减摇率。1987年，Vandert Klugt和Van Amerongen将LQG控制器应用到舵减摇系统中，通过船模实验、实船海试及仿真验证了舵减摇的减摇效果和优势。至20世纪90年代，Yang Chengen、Stoustrop等人设计了舵减摇的H_∞控制器，得到了满意的实验效果。1998年，Blanke等人提出了LQ控制算法和定量反馈的理论体系，设计出了相应的舵减摇控制器。Oda等人使用多变量自回归模型改进了舵减摇系统。一些智能控制算法也应用到了舵减摇领域中并取得了不错的效果。20年代，Perez和Tzcng利用模型预报的控制方法来实现舵减摇控制。2008年，Jong-Koo Park和Seong-Sik Yoon提出了一种舵减摇的动态抗饱和算法。

国内对舵减摇技术的研究起步较晚，主要在军舰上实验，相关的文献也大都是一些针对简单模型的理论研究。1982年，缪国平指出了舵作为减摇装置的可行性。90年代，朱文蔚、胡启庸等用传统PID控制方法设计舵减摇系统，指出减摇率可达50％。沈建清等设计了自适应准则的最优舵减摇控制器，并进行了仿真。郑明辉等应用传统的模糊控制理论设计了舵减摇控制系统。进入21世纪，杨丽坤将闭环增益成形算法应用到舵减摇系统中，仿真结果表明该算法具有鲁棒性能，减摇率达到25％以上。田园将自适应神经模糊推理系统应用到舵减摇中，取得了25％的减摇率。徐言民等将混合遗传算法应用于舵减摇系统中，取得了较高的减摇率效果。

发明内容