一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，通过建立多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型，并对该模型转换成状态空间形式，将多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型分解成解耦的垂荡运动模型和纵摇运动模型；针对解耦的垂荡运动模型和纵摇运动模型，分别设计扩张状态观测器，用于估计多体船的运动状态与耦合项；结合上述步骤，将多体船的基本控制量与估计的耦合项相综合获得虚拟控制量，并把虚拟控制量分配给T型翼与压浪板的攻角。通过攻角产生的力和力矩，控制多体船的垂荡高度和纵摇角度的变化，本发明专利技术所提出的控制方法简单可靠，易于实现，能有效地实现多体船垂荡减少20％‑35％，纵摇减少40％‑50％。

【技术实现步骤摘要】
一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法
本专利技术属于船舶航行稳定性控制领域，尤其涉及一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法。
技术介绍
多体船是现代高性能船舶的重要发展方向，具有良好的横向稳定性、耐波性、机动性。但是在高速航行时，多体船的独特线型和结构，导致不同航速的水动力会对其水下船体产生不同程度的纵向倾覆力矩，该力矩随纵倾角增大而增大，并且随航速动态变化；另一方面，多体船的纵向恢复力矩较小，因此多体船的纵摇/升沉运动幅度过大，纵向运动易失稳，对航行性能产生不可忽略的影响，严重影响其适航性。因此，需要对多体船进行减纵摇控制。目前，国内外多体船主要装配T型翼和压浪板两类减摇设备，设计合理的控制策略进行多体船减垂荡和纵摇。多体船运动模型具有快时变性、强非线性、多不确定性等特性，控制器设计具有一定挑战性。传统的纵向减摇控制采用纵摇/升沉两个通道分离，设计增益调度比例-微分控制进行减摇，但是控制方法需要花费大量时间离线调试参数，鲁棒性弱，减摇效果一般。另一方面，模糊控制，鲁棒控制虽然提高了多体船减摇鲁棒性能，但是存在控制器设计过于保守，自适应能力差，适用范围有限，设计复杂等缺点，难以在工程上应用。目前，国内关于采用反馈控制律与自适应在线补偿相综合，提高减摇控制的自适应性和稳定性等内容尚无研究。
技术实现思路
本专利技术根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，能通过反馈控制律与自适应在线补偿相结合，提高减摇控制的自适应性与稳定性，进而提高了多体船的稳定性能。本专利技术采用的技术方案为：一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型，并对该模型转换成状态空间形式；步骤2，将多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型分解成解耦的垂荡运动模型和纵摇运动模型；步骤3，针对解耦的垂荡运动模型和纵摇运动模型，分别设计扩张状态观测器，用于估计多体船的运动状态与耦合项；步骤4，采用比例-微分控制方法，分别求出垂荡运动模型和纵摇运动模型的基本控制量；步骤5，结合上述步骤，将多体船的基本控制量与估计的耦合项相综合获得虚拟控制量，并把虚拟控制量分配给T型翼与压浪板的攻角。进一步，所述步骤1中多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型为：其中，m是多体船的质量；I55是多体船关于y轴的转动惯量；a33、a55为多体船的附加质量和附加转动惯量；b33、b55为系统的阻尼系数；c33、c55为系统的恢复力系数；a35、a53、b35、b53、c35、c53为力与力矩的耦合项系数；x3、x5分别表示垂荡位移和纵摇角；分别表示垂荡速度和纵摇角速度；分别表示垂荡加速度和纵摇角加速度；FT-foil、MT-foil分别表示T型水翼升力和升力矩；Fflap、Mflap分别表示压浪板提供的力和力矩；Fwave、Mwave分别表示海浪干扰力和力矩；将垂荡和纵摇的耦合运动学模型通过等价数学变换转变为下面的状态空间形式：其中，矩阵矩阵矩阵定义上式中的进一步，所述垂荡运动模型表示为：其中，x1＝x3，x1表示垂荡位移，x2表示垂荡速度，纵摇耦合到升沉通道的运动量作为升沉通道的不确定项，即输入力F＝FT-foil+Fflap，FT-foil分别表示T型水翼升力，Fflap分别表示压浪板提供的力，Fwave分别表示海浪干扰力，是增益值。所述纵摇运动模型表示为：其中，x11表示纵摇角，x22表示纵摇角速度，且x11＝x5,升沉耦合到纵摇通道的运动量作为纵摇通道的不确定项，即不确定项输入力矩M＝MT-foil+Mflap，MT-foil分别表示T型水翼升力矩，Mflap分别表示压浪板提供的力矩，Mwave分别表示海浪干扰力矩，是增益值。进一步，针对垂荡运动模型设计如下扩张状态观测器：调参数βi采用基于带宽的配置方法，则满足如下条件：[β1,β2,β3]＝[ω0α1,ω02α2,ω03α3]；其中，βi为调参数，i＝1、2、3，ω0是垂荡通道扩张状态观测器对应的带宽，选取增益系数αi＝3！/i！×(3-i)！,i＝1,2,3，e1是系统状态x1与观测器估计的状态z1的误差，z1、z2为系统状态x1、x2对应的观测器估计的状态，z3是系统集总干扰的估计，即z1→x1，z2→x2，z3→x3＝f2，误差g1i(e1)＝e1，i＝1、2、3；分别为估计状态z1、z2、z3的一阶导数，b1为垂荡通道对应的增益值，U1为垂荡通道设计得到的虚拟控制量；针对纵摇运动模型模型设计如下扩张状态观测器：调参数βii采用基于带宽的配置方法，则满足如下条件：[β11,β22,β33]＝[ω1α1,ω12α2,ω13α3]其中，βii为调参数，i＝1、2、3，ω1是纵摇通道扩张状态观测器对应的带宽，e2是系统状态x11与观测器估计的状态z11的误差，z11、z22是系统状态x11,x22的估计值，z33是系统集总干扰的估计，即z11→x11，z22→x22，z33→x33＝f22，误差g2i(e2)＝e2，i＝1、2、3；分别为估计状态z11、z22、z33的一阶导数，b为纵摇通道对应的增益值，U2为纵摇通道设计得到的虚拟控制量；进一步，求出垂荡运动模型比例项kp1和微分项kd1的方法为：比例项为：微分项为：其中，wn为系统固有频率，ε为阻尼比，取ε＝0.85，m为多体船的质量，a33为多体船的附加质量，c33为系统的恢复力系数，K1为压浪板产生的力的大小；求出纵摇运动模型比例项和微分项的方法为：进一步，求出纵摇通道求比例项kp2和微分项kd2的方法为：比例项为：微分项为：其中，wn为系统固有频率，ε为阻尼比，取ε＝0.8，I55是多体船关于y轴的转动惯量，a55为附加转动惯量，c55为系统的恢复力系数，K2为T型翼产生的力矩的大小；进一步，获得多体船虚拟控制律与耦合项综合的控制量的方法为：步骤5.1，结合垂荡运动模型和纵摇运动模型的比例项和微分项，分别得到垂荡运动模型和纵摇运动模型的基本控制输入β1、β2；步骤5.2，基于垂荡和纵摇运动模型得到的两个基本控制输入综合扰集总干扰估计值z3和z33的补偿来决定最终的垂荡运动模型和纵摇运动模型的虚拟控制量U1、U2；步骤5.3，根据垂荡运动模型和纵摇运动模型的虚拟控制量U1、U2，获得多体船综合的控制量，即T型翼和压浪板的攻角输入。进一步，所述步骤5.1中垂荡运动模型和纵摇运动模型的基本控制输入β1、β2表示为：垂荡通道的基本控制量为：纵摇通道的基本控制量为：其中，x1为垂荡位移，x2为垂荡速度，a33、a55为多体船的附加质量和附加转动惯量，b33、b55为系统的阻尼系数，c33、c55为系统的恢复力系数，m为多体船的质量，垂荡运动模型比例项kp1和微分项kd1，I55是多体船关于y轴的转动惯量，x11纵摇角，x22为纵摇角速度；多体船纵摇通道求比例项kp2和微分项kd2。进一步，所述总的虚拟控制量为：U1＝β1-z3/b1；U2＝β2-z33/b2；其中，β1为垂荡通道的基本控制输入，β2为纵摇通道的基本控制输入，z3(t)、z33(t)为垂荡通道和纵摇通道的集总干扰估计值，进一步，获得T型翼和压浪板的攻角输入的方法为：其中，α1为压浪板的攻角，α2为T型翼的攻角，fflap为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型，并对该模型转换成状态空间形式；步骤2，将多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型分解成解耦的垂荡运动模型和纵摇运动模型；步骤3，针对解耦的垂荡运动模型和纵摇运动模型，分别设计扩张状态观测器，用于估计多体船的运动状态与耦合项；步骤4，采用比例‑微分控制方法，分别求出垂荡运动模型和纵摇运动模型的基本控制量；步骤5，结合上述步骤，将多体船的基本控制量与估计的耦合项相综合获得虚拟控制量，并把虚拟控制量分配给T型翼与压浪板的攻角。

【技术特征摘要】
1.一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型，并对该模型转换成状态空间形式；步骤2，将多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型分解成解耦的垂荡运动模型和纵摇运动模型；步骤3，针对解耦的垂荡运动模型和纵摇运动模型，分别设计扩张状态观测器，用于估计多体船的运动状态与耦合项；步骤4，采用比例-微分控制方法，分别求出垂荡运动模型和纵摇运动模型的基本控制量；步骤5，结合上述步骤，将多体船的基本控制量与估计的耦合项相综合获得虚拟控制量，并把虚拟控制量分配给T型翼与压浪板的攻角。2.根据权利要求1所述的一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，其特征在于，所述步骤1中多体船垂荡和纵摇的耦合运动模型为：其中，m是多体船的质量；I55是多体船关于y轴的转动惯量；a33、a55为多体船的附加质量和附加转动惯量；b33、b55为系统的阻尼系数；c33、c55为系统的恢复力系数；a35、a53、b35、b53、c35、c53为力与力矩的耦合项系数；x3、x5分别表示垂荡位移和纵摇角；分别表示垂荡速度和纵摇角速度；分别表示垂荡加速度和纵摇角加速度；FT-foil、MT-foil分别表示T型水翼升力和升力矩；Fflap、Mflap分别表示压浪板提供的力和力矩；Fwave、Mwave分别表示海浪干扰力和力矩。3.根据权利要求1或2所述的一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，其特征在于，所述步骤1中，所述垂荡和纵摇的耦合运动学模型的状态空间形式：其中，4.根据权利要求1或2所述的一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，其特征在于，所述步骤2中，垂荡运动模型表示为：其中，x1＝x3，x1表示垂荡位移，x2表示垂荡速度，纵摇耦合到升沉通道的运动量作为升沉通道的不确定项，即不确定项输入力F＝FT-foil+Fflap，是增益值。所述纵摇运动模型表示为：其中，x11＝x5，x11表示纵摇角，x22表示纵摇角速度；升沉耦合到纵摇通道的运动量作为纵摇通道的不确定项，即不确定项输入力矩M＝MT-foil+Mflap，是增益值。5.根据权利要求1所述的一种多体船的简化鲁棒自适应减纵摇控制方法，其特征在于，所述步骤3中，针对垂荡运动模型设计如下扩张状态观测器：调参数βi采用基于带宽的配置方法，则满足如下条件：[β1,β2,β3]＝[ω0α1,ω02α2,ω03α3]；其中，βi为调参数，i＝1、2、3，ω0是垂荡通道扩张状态观测器对应的带宽，选取增益系数αi＝3！/i！×(3-i)！,i＝1,2,3，e1是系统状态x1与观测器估计的状态z1的误差，z1、z2为系统状态x1、x2对应的观测器估计的状态，z3是系统集总干扰的估计，即z1→x1，z2→x2，z3→x3＝f2，误差g1i(e1)＝e1，i＝1、2、3；分别为估计状态z1、z2、z3的一阶导数，b1为垂荡通道对应的增益值，U1为垂荡通道设计得到的虚拟控制量；针对纵摇运动模型模型设计如下扩张状态观测器：调参数βii采用基于带宽的配置方法，则满足如下条件：[β11,β22,β33]＝[ω1α1,ω12α2,ω13α3]；其中，βii为调参数，i＝1、2、3，ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，戴小康，刘志林，李国胜，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32