一种基于斜舵船舶减纵摇装置智能自适应预测控制系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及的是一种斜舵船舶减纵摇装置控制方法。基于斜舵船舶减纵摇装置智能自适应预测控制系统，包括垂荡和纵摇参考信息生成器、输入参考轨迹生成器、信息约束系统、控制量融合信息生成器、控制量估计器、协状态的融合信息生成器、协状态序列估计器、协状态融合信息量逆时间序列初值估计器、协状态逆时间序列初值估计器、传感器系统、控制器。本发明专利技术适用于斜舵船舶减纵摇装置这样具有非线性、耦合性、时变性的系统，控制精度高，鲁棒性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于斜舵船舶减纵摇装置智能自适应预测控制系统
本专利技术涉及的是一种斜舵船舶减纵摇装置控制方法。
技术介绍
斜舵船舶减纵摇装置多变量系统，由于非线性、强耦合性、时滞性和参数不确定等特性，使其控制系统的设计具有一定的挑战性。船舶减摇与控制是船舶与海洋工程的重要研究课题之一。目前减横摇方面已取得不少研究成果。在船舶减纵摇方面，研究成果很少，他们是采用半潜体和鳍联合等减纵摇。舵减摇与减摇鳍、减摇水舱相比具有许多优点。它可以利用船上现有的舵和操纵系统，只需增添控制仪，传感器等少数部件，既经济又实用。前提是船舶对象是双舵或者是多舵。文献“陈虹丽，赵希人，叶葵，彭秀艳.船舶减纵摇控制的LQG方法研究.哈尔滨工程大学学报.2004，25(4)：407-411”中忽略了横摇、纵摇之间的耦合，利用∏型水平舵减纵摇，并且是针对船舶纵向运动典型海况下定常方程进行线性二次高斯(LQG)控制。本专利技术采用45°倾斜安装的襟翼舵，可以实现横摇、纵摇的解耦控制，提高舵升力系数，并且纵摇减摇时不产生偏航控制力矩。许多学者通过多年对舵减摇的研究，发现船舶运动模型的不确定性问题成为左右舵减摇技术应用成败的关键因素之一。本专利技术利用切片理论依据典型海况下水动力系数的水池实验测试结果，建立起随船舶航向(角)、航速和海情实时变化的船舶控制智能自适应模型，结合基于斜舵船舶减纵摇装置信息融合预测控制以提高控制器的鲁棒性来抑制船舶模型不确定性对减纵摇效果的影响。从而保证了斜舵船舶减纵摇装置的安全可靠的运行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对斜舵船舶减纵摇装置存在严重耦合性与非线性，提供一种适合变工况的基于串级组合神经网络模型，能获得良好的控制性能的斜舵船舶减纵摇装置自适应控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：基于斜舵船舶减纵摇装置智能自适应预测控制系统，包括垂荡和纵摇参考信息生成器、输入参考轨迹生成器、信息约束系统、控制量融合信息生成器、控制量估计器、协状态的融合信息生成器、协状态序列估计器、协状态融合信息量逆时间序列初值估计器、协状态逆时间序列初值估计器、传感器系统、控制器。输入参考轨迹生成器接收垂荡和纵摇参考信息生成器和传感器系统的数据后得到输入参考轨迹，将输入参考轨迹并行发送给协状态逆时间序列初值估计器和协状态序列估计器；控制量融合信息生成器接收信息约束系统的数据后得到控制的融合信息量，将控制的融合信息量传递给控制量估计器；协状态逆时间序列初值估计器接收协状态融合信息量逆时间序列初值估计器的数据后得到协状态逆时间序列初值估计量，将协状态逆时间序列初值估计量发给协状态序列估计器，同时协状态序列估计器接收协状态的融合信息生成器的数据后得到协状态的逆时间估计序列，控制量估计器接收到协状态的逆时间估计序列数据后得到最优控制量序列；最后控制器将控制指令发送给船舶的执行机构舵机,实现水面船的纵摇控制。本专利技术的斜舵船舶减纵摇装置智能自适应预测控制方法还可以包括：所述的斜舵船舶减纵摇装置的垂荡和纵摇参考信息生成器为船舶垂荡和纵摇角参考信息提供给定值(期望值)。所述的斜舵船舶减纵摇装置的传感器系统是指，在一定海情下，采集船舶实际航向、航速、舵角、垂荡和纵摇角的位移传感器、加速度计、陀螺仪，计程仪、船载经纬仪。所述的斜舵船舶减纵摇装置的输入参考轨迹生成器为式中，Yk为传感器系统采集的船舶实际垂荡、纵摇角，Yj为对Yk的向前(j-k)步预测，为垂荡和纵摇参考信息给定值,Ω∈(0,1)为柔化系数，且Ω的选取需考虑系统响应特性和鲁棒性之间的综合平衡。所述的斜舵船舶减纵摇装置的信息约束系统，包含如下3个信息表达式：由系统状态方程所决定的硬约束信息表达式为式中为系统状态方程系数矩阵，Wf,j-1为零均值且协方差矩阵为I2×1的白噪声。由协状态估计误差所决定的软约束信息表达式为：式中Ej为零均值且协方差矩阵为的白噪声。由要求控制能量尽可能小所决定的软约束信息表达式为：0＝uj-1+nj-1式中nj-1为零均值且协方差矩阵为Rj-1-1的白噪声。由要求系统输出跟踪输入参考轨迹所决定的软约束信息表达式式中为零均值且协方差矩阵为了的白噪声。所述的斜舵船舶减纵摇装置的控制量融合信息生成器为式中的协方差矩阵。所述的斜舵船舶减纵摇装置的协状态融合信息量逆时间序列初值估计器为：式中为系统观测矩阵，λ为足够小的非零正数，In×n为n×n维的单位矩阵，Qj为的协方差矩阵,Vj为系统测量噪声协方差矩阵。所述的斜舵船舶减纵摇装置的协状态逆时间序列初值估计器为所述的斜舵船舶减纵摇装置的协状态的融合信息生成器为式中，所述的斜舵船舶减纵摇装置的协状态序列估计器为式中j＝k+1,…,k+N。所述的斜舵船舶减纵摇装置的控制量估计器为本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用45°倾斜安装的襟翼舵，建立了基于切片理论依据典型海况下水动力系数的水池实验测试结果的水动力非线性自适应智能模型(串级组合神经网络模型)。根据船上仪表,可以实时测得变化中的航向角、航速和海情,利用水动力自适应智能模型在线计算出斜舵船舶减纵摇装置的水动力系数,不断更新斜舵船舶减纵摇装置模型,然后将神经网络自适应模型与预测控制结合，由于过程参数慢时变所引起预测模型输出误差能得以及时的修正，从而改善系统的动态性能，适用于斜舵船舶减纵摇装置这样具有非线性、耦合性、时变性的系统，控制精度高，鲁棒性好。附图说明图1为斜舵船舶减纵摇装置智能自适应信息融合预测控制系统的结构框图；图2为斜舵控制图；图3为广义回归神经网络结构图；图4为最优停止法优化网络程序框图；图5扩展系统框图；图6为串级组合神经网络结构图；图7为控制效果相对值。具体实施方法下面结合附图对本专利技术做进一步描述。本专利技术提供的是一种基于信息融合最优估计的斜舵船舶减纵摇装置的智能自适应预测控制系统。在一定海情下，传感器系统采集船舶实际航向、航速、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于斜舵船舶减纵摇装置智能自适应预测控制系统，包括垂荡和纵摇参考信息生成器(1)、输入参考轨迹生成器(2)、信息约束系统(3)、控制量融合信息生成器(4)、控制量估计器(5)、协状态的融合信息生成器(6)、协状态序列估计器(7)、协状态融合信息量逆时间序列初值估计器(8)、协状态逆时间序列初值估计器(9)、传感器系统(10)、控制器(11)，其特征在于：输入参考轨迹生成器(2)接收垂荡和纵摇参考信息生成器(1)和传感器系统(10)的数据后得到输入参考轨迹，将输入参考轨迹并行发送给协状态逆时间序列初值估计器(9)和协状态序列估计器(7)；控制量融合信息生成器(4)接收信息约束系统(3)的数据后得到控制的融合信息量，将控制的融合信息量传递给控制量估计器(5)；协状态逆时间序列初值估计器(9)接收协状态融合信息量逆时间序列初值估计器(8)的数据后得到协状态逆时间序列初值估计量，将协状态逆时间序列初值估计量发给协状态序列估计器(7)，同时协状态序列估计器(7)接收协状态的融合信息生成器(6)的数据后得到协状态的逆时间估计序列，控制量估计器(5)接收到协状态的逆时间估计序列数据后得到最优控制量序列，传递给控制器(11)生成控制指令；最后控制器(11)将控制指令发送给船舶的执行机构舵机,实现水面船的减纵摇控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于斜舵船舶减纵摇装置智能自适应预测控制系统，包括垂荡和纵摇参考信息生成器(1)、输入参考轨迹生成器(2)、信息约束系统(3)、控制量融合信息生成器(4)、控制量估计器(5)、协状态的融合信息生成器(6)、协状态序列估计器(7)、协状态融合信息量逆时间序列初值估计器(8)、协状态逆时间序列初值估计器(9)、传感器系统(10)、控制器(11)，其特征在于：输入参考轨迹生成器(2)接收垂荡和纵摇参考信息生成器(1)和传感器系统(10)的数据后得到输入参考轨迹，将输入参考轨迹并行发送给协状态逆时间序列初值估计器(9)和协状态序列估计器(7)；控制量融合信息生成器(4)接收信息约束系统(3)的数据后得到控制的融合信息量，将控制的融合信息量传递给控制量估计器(5)；协状态逆时间序列初值估计器(9)接收协状态融合信息量逆时间序列初值估计器(8)的数据后得到协状态逆时间序列初值估计量，将协状态逆时间序列初值估计量发给协状态序列估计器(7)，同时协状态序列估计器(7)接收协状态的融合信息生成器(6)的数据后得到协状态的逆时...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈虹丽，王子元，冯晴，沈丹，何昆鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23