[发明专利]一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法

摘要

本发明涉及一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，横摇检测装置检测横摇角，并通过状态估计器估计系统的横摇角及横摇角速度，与给定值作差送入反馈线性化控制器；采用基于模糊树的自适应控制器修正反馈线性化控制器的输出，得到所需的横摇扶正力矩；修正后的输出信号即减横摇控制器的输出信号送入鳍角、翼鳍角智能优化器，前述的减横摇控制器由反馈线性化控制器、基于模糊树的自适应控制器和误差观测器组成；鳍角、翼鳍角智能优化器进行角度分配，给出实时的鳍角、翼鳍角指令送入鳍、翼鳍电伺服系统；鳍、翼鳍电伺服系统基于矢量控制，驱动鳍、翼鳍转动，产生所需的扶正力矩，实现对船舶减横摇控制。

主权项

一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，其特征在于：步骤1：横摇检测装置检测横摇角，并通过状态估计器估计系统的横摇角及横摇角速度，与给定值作差送入反馈线性化控制器；步骤2：采用基于模糊树的自适应控制器修正反馈线性化控制器的输出，得到所需的横摇扶正力矩；修正后的输出信号即减横摇控制器的输出信号u送入鳍角、翼鳍角智能优化器，前述的减横摇控制器由反馈线性化控制器、基于模糊树的自适应控制器和误差观测器组成；所述采用基于模糊树的自适应控制器修正反馈线性化控制器的输出，通过如下方法实现，步骤2.1：建立船舶横向运动控制系统的数学模型，并给出其非线性系统状态空间表示；x·=f(x)+g(x)uy=h(x)]]>式中，u＝Fθ，Fθ为鳍、翼鳍产生的横摇扶正力矩，y＝h(x)＝θ为系统输出量，f(x)、g(x)为非线性函数；步骤2.2：根据船舶横向运动控制系统的性能指标，建立期望输出的参考模型，并给出系统动态误差状态空间表示；E·=AmE+b(Δ-ud)e=CmE]]>式中，Δ为实际系统建模和随机海浪等外界干扰所引起的误差，ud为自适应模糊树控制器输出，e为实际系统误差；Am、Cm、b为矩阵参数；步骤2.3：建立基于模糊树的自适应控制器；减横摇控制器的输出信号u表示为，u＝uc+uduc为反馈线性化控制器的输出，ud为自适应模糊树控制器输出；通过如下方法建立基于模糊树的自适应控制器，步骤2.3.1:给出L个终节点的模糊树模型的输入输出关系，根据横摇运动控制系统状态空间形式，采用模糊树模型逼近步骤2.1中的非线性函数fi(x)和gi(x)；步骤2.3.2:根据船舶横摇系统要求及误差方程，选择参数ki、Mi1、Mi2及选择一个正定阵Qi，求解Lyapunov方程得到矩阵Pi；步骤2.3.3:根据获得的样本数据，利用模糊树模型离线辨识横摇控制系统中的非线性函数fi(x)和gi(x)，建立初始基本控制器及监督控制器；步骤2.3.4:确定参数Mi1、Mi2、γi1及γi2；根据实际系统情况假设Mi1≥||θi1(0)||2及Mi2≥||θi2(0)||2，利用自适应调节律在线调节模糊树模型的参数；其中，ki使得全部特征值都有负实部，γi1＞0,γi2＞0为学习率，Mi1、Mi2为模糊树模型寻优空间的界，为设计参数，规定了实际控制系统内部状态的界；步骤3：鳍角、翼鳍角智能优化器进行角度分配，给出实时的鳍角、翼鳍角指令送入鳍、翼鳍电伺服系统；步骤4：鳍、翼鳍电伺服系统基于矢量控制，驱动鳍、翼鳍转动，产生所需的扶正力矩，实现对船舶减横摇控制；鳍、翼鳍电伺服系统采用永磁同步电机，鳍、翼鳍电伺服系统的控制部分包括位置控制器、速度控制器和电流控制器，鳍、翼鳍电伺服系统通过如下方法实现矢量控制，建立dq坐标系下数学模型，经Clarke变换和Park变换，将永磁同步电机的定子三相电流转换成两个不存在耦合关系的直流量id和iq，使id保持为零、iq实时跟踪速度控制器的控制量；采用鳍、翼鳍伺服系统位置传感器测量得到的位置信号确定电流的方向，对鳍、翼鳍伺服系统功率开关死区效应进行补偿，当0＜ψ＜π时，ia＞0，A相补偿正向电压；反之补偿反向电压；当2π/3＜ψ＜5π/3时，ib＞0，B相补偿正向电压；反之补偿反向电压；当‑2π/3＜ψ＜π/3时，ic＞0，C相补偿正向电压；反之补偿反向电压；式中，ψ为永磁同步电机磁极的位置角度；补偿电压的幅值采用如下公式进行计算：式中，为调整系数，Vd为直流母线电压，Td为死区时间，Tperiod伺服周期。