一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术的目的在于提供一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法，建立综合减摇系统模型，以海浪波倾角作为综合减摇系统输入。根据建立的综合减摇系统模型创建性能指标，性能指标主要包括横摇角方差，鳍角饱和率以及驱动减摇鳍系统能量消耗。利用双重神经网络在线调整PID控制器的参数，实现PID参数自整定。在实时海况条件下，PID控制器中加入延迟环节。实时调整延迟时间，使综合减摇系统能够充分发挥减摇鳍和减摇水舱的减摇能力。实时更新PID控制参数，得到最优的PID参数值，优化综合减摇系统性能指标。本发明专利技术不仅可以满足船舶减摇性能指标，而且可以节约PID参数寻优时间，提高实际应用效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法
本专利技术涉及的是一种减摇控制方法，具体地说是船舶减摇控制方法。
技术介绍
船舶在海上航行，由于海浪作用将产生六个自由度的运动，其中以横摇运动最为剧烈。因此如何减摇一直是人们关注的热点问题，而减摇鳍和减摇水舱又是当今最常用的船舶减摇装置，但各自在应用上有缺点。减摇鳍在船舶为高航速时减摇效果较好，低航速或零航速几乎没有减摇效果。减摇水舱减摇能力有限，在某些海况下甚至有增摇作用。为克服各自缺点，增加船舶耐波性，同时考虑装备减摇鳍和减摇水舱。减摇鳍－被动式减摇水舱综合减摇系统可以综合减摇鳍在船舶在高航速下减摇效率高和被动式减摇水舱在零航速和低航速下具有减摇能力的优点。综合减摇系统可以在全航速下工作，有效减小船舶横摇运动，提高船舶耐波性。但综合减摇系统的质量矩阵和刚度矩阵存在耦合项，减摇鳍和被动式减摇水舱二者工作时相互影响。综合减摇系统减摇效果很大程度上取决于控制方法的设计，一般采用经典的PID控制器，但PID控制只针对特定海情有较好的减摇效果，由于船舶运动环境在一直变化，船速也不是常数，海情也在变化，遭遇频率也在改变，每次航行负载情况也在变化，随着这些因素的改变，控制效果会明显降低。因此在实际工程应用中效果不佳。而现如今的减摇装置，仅考虑船舶减摇，对船舶减药装置能量优化研究较少，甚至为了减摇不惜牺牲大量主机的能量。进一步，对能量优化综合减摇系统控制器的研究则更少。减摇鳍工作需要消耗船舶自身的能量，鳍面积越大，能量损耗越多。相对于减摇鳍，被动式减摇水舱工作不需要消耗额外的能量，在资源相对短缺的今天，必须考虑船舶减药装置能量消耗，节能将是未来船舶减摇系统新的发展趋势。为此，在满足减摇效果的前提下，充分发挥被动式减摇水舱减摇能力，降低减摇鳍动作幅值和频率，降低减摇系统的能量消耗，是对综合减摇控制器的新要求。减摇鳍和被动式减摇水舱综合减摇系统控制器的研究也仅针对减摇效果，很少涉及到能量消耗。哈尔滨工程大学的金鸿章、高妍南等在机械工程学报(第47卷第15期,2011年8月,p37-43.)上面发表了一篇《基于能量优化的海洋机器人航向与横摇自适应终端滑模综合控制》，文章是依据终端滑模控制理论和零航速减摇鳍工作原理设计针对航向保持和横摇减摇的控制器，使系统状态的跟踪误差在有限的时间内收敛为零，另外考虑到海浪干扰的随机性及海洋机器人自身可携带的能量是有限的，因此在控制器的设计中引入遗传算法，从能量优化的角度出发对控制器参数进行优化。虽然利用遗传算法优化PID参数，但是未考虑寻优时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供不仅可以满足船舶减摇性能指标，而且可以节约PID参数寻优时间，提高实际应用效率的一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法，其特征是：(1)建立综合减摇系统模型，以海浪波倾角作为综合减摇系统输入当船舶同时装备减摇鳍和被动式减摇水舱，减摇鳍产生扶正力矩时，综合减摇系统模型为：其中，lf为自减摇鳍上水动力压力中心到船舶重心的作用力臂，ρt为海水密度，V为航速，AF为减摇鳍的投影面积，为升力系数斜率，φ为横摇角，为横摇角速度，为横摇角加速度，Kh为航速调节系数，KI、KP、KD为PID参数，它们分别为h为初稳心高，F为常数，Kω＝Dhαecosωt为扰动力矩，I1为相对于通过船舶重心的纵轴的惯量和附加惯量之和，为舱内液体对横摇轴的质量惯性矩，S为沿水舱轴线的法线方向的局部截面积，r为微质量dm的质心到横摇轴的距离微质量，为船舶阻尼系数，D为排水量，h′为加入水舱后稳心高，ρt为海水密度，S0为边舱自由液面面积，为水舱轴线对横摇轴的静压力矩，γ为r与d之间的夹角，dl为液体微体积沿水舱轴线的长度，l为U型水舱轴线长度，z为边舱内水位高度，为舱内水柱相当长度，Nt为水舱阻尼系数，R为边舱中至船舶纵中刨面的水平距离，g为重力加速度；(2)建立综合减摇系统性能指标综合减摇系统性能指标可表示为：式中，σ2为横摇角方差，λ1和λ2为加权系数，p为鳍角饱和率，E2为减摇鳍系统工作消耗的能量，根据随机理论，减摇后船舶横摇角方差为：减摇鳍性能指标要求鳍角最大为22°，即θm＝22°，鳍角饱和率为13.5％时的鳍角的方差为：驱动减摇鳍系统的能量消耗为：式中，η为液压传动系统的传输效率，则综合减摇系统性能指标为：式中：Sαw(ω)为海浪的等效波倾角谱密度，Φ(jω)为综合减摇系统开环传递函数，Sθ(ωe)鳍角角速率的谱密度，I为减摇鳍绕鳍轴的转动惯量，[σθ]2为鳍角方差，η为传动系统的传输效率，λ1和λ2为权系数，T为横摇周期；(3)利用双重神经网络在线调整PID控制器的参数KP、KI和KD，实现PID参数自整定；双重神经网络包括系统辨识神经网络NN1和参数自整定神经网络NN2，系统辨识神经网络NN1用于识别和预测综合减摇系统输入与输出的动态关系；参数自整定神经网络NN2用于在线自整定PID控制器的参数；(4)在实时海况条件下，PID控制器中加入延迟环节在双重神经网络自整定PID控制器中加入滞后环节，在中、低海情下，PID控制器输出延迟时间为t＝0.335～0.475T1，T1为水舱振荡周期，在高海情下，PID控制器输出延时时间t＝0.122～0.239T1；(5)实时更新PID控制参数，得到最优的PID参数值，优化综合减摇系统性能指标通过步骤(3)和步骤(4)得到最优PID参数KP、KI和KD，优化综合减摇系统输出的横摇角和鳍角速率，在任何海情下，优化后的平均鳍角速率不超过5°/s，并使优化后的减摇效率达到80％以上，否则重复执行步骤(3)和(4)，减摇效率R为：式中：为未安装减摇鳍时横摇角平均值；为安装减摇鳍时横摇角平均值。本专利技术的优势在于：本专利技术不仅可以满足船舶减摇性能指标，而且可以节约PID参数寻优时间，提高实际应用效率。(1)综合减摇系统模型充分考虑减摇鳍和被动式减摇水舱工作特点，最大程度发挥被动式减摇水舱的减摇能力。(2)在满足船舶减摇指标前提下，考虑能量消耗最优原则。(3)设计控制器在任何海情下都具有良好的控制效果，并节省优化PID参数的时间和航行成本。附图说明图1为双重神经网络自整定PID控制综合减摇方框图；图2为本专利技术流程图；图3为航速18节，有义波高4米(设定海情)，海浪遭遇角90°时，双重神经网络优化后的PID参数变化图；图4为航速18节，有义波高4米(设定海情)，海浪遭遇角90°时等效波倾角变化图；图5为无减摇装置船舶横摇角变化图；图6为PID控制横摇角变化图；图7为双重神经网络自整定PID控制横摇角变化图；图8为PID控制鳍角速率变化图；图9为双重神经网络自整定PID控制鳍角速率变化图；图10为在航速30节，有义波高4米(设定海情)，遭遇角135°时，双重神经网络优化后的PID参数变化图；图11为在航速30节，有义波高4米，遭遇角135°时等效波倾角变化图；图12为在航速10节，有义波高4米，遭遇角135°时无减摇装置船舶横摇角变化图；图13为PID控制横摇角变化图；图14为双重神经网络自整定PID控制横摇角变化图；图15为P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法，其特征是：(1)建立综合减摇系统模型，以海浪波倾角作为综合减摇系统输入当船舶同时装备减摇鳍和被动式减摇水舱，减摇鳍产生扶正力矩时，综合减摇系统模型为：(I1+Jt+C)φ··+(2Nφ+B)φ·+(Dh′+A)φ-ρtS0b2z··-2ρtgS0Rz=Kω2ρtS0λtz··+2Ntz·+2ρtgS0z-ρtS0b2φ··-2ρtgS0Rφ=0]]>其中，A=lfρtV2AF∂Cy∂αKhKI,B=lfρtV2AF∂Cy∂αKhkP,]]>lf为自减摇鳍上水动力压力中心到船舶重心的作用力臂，ρt为海水密度，V为航速，AF为减摇鳍的投影面积，为升力系数斜率，φ为横摇角，为横摇角速度，为横摇角加速度，Kh为航速调节系数，KI、KP、KD为PID参数，它们分别为KI=DhFlfρtAF∂Cy∂αV2,]]>KD=I1FlfρtAF∂Cy∂αV2,]]>h为初稳心高，F为常数，Kω＝Dhαe cosωt为扰动力矩，I1为相对于通过船舶重心的纵轴的惯量和附加惯量之和，为舱内液体对横摇轴的质量惯性矩，S为沿水舱轴线的法线方向的局部截面积，r为微质量dm的质心到横摇轴的距离微质量，为船舶阻尼系数，D为排水量，h′为加入水舱后稳心高，ρt为海水密度，S0为边舱自由液面面积，为水舱轴线对横摇轴的静压力矩，γ为r与d之间的夹角，dl为液体微体积沿水舱轴线的长度，l为U型水舱轴线长度，z为边舱内水位高度，为舱内水柱相当长度，Nt为水舱阻尼系数，R为边舱中至船舶纵中刨面的水平距离，g为重力加速度；(2)建立综合减摇系统性能指标综合减摇系统性能指标可表示为：J=1/T∫0T[σ2+λ1(p-13.5%)2+λ2E2]dT]]>式中，σ2为横摇角方差，λ1和λ2为加权系数，p为鳍角饱和率，E2为减摇鳍系统工作消耗的能量，根据随机理论，减摇后船舶横摇角方差为：减摇鳍性能指标要求鳍角最大为22°，即θm＝22°，鳍角饱和率为13.5％时的鳍角的方差为：[σθ]2=-θm2/(21np)]]>驱动减摇鳍系统的能量消耗为：E=2E′/η=I∫0∞Sθ(ωe)dωeη]]>式中，η为液压传动系统的传输效率，则综合减摇系统性能指标为：J=1T∫0T{12π∫0∞|Φ(jω)|2Sαw(ωe)dωe+λ1[exp(-θm2/2[σθ]2)-13.5%]dt+λ2I∫0∞Sθ(ωe)dωeη}dT]]>式中：Sαw(ω)为海浪的等效波倾角谱密度，Φ(jω)为综合减摇系统开环传递函数，Sθ(ωe)鳍角角速率的谱密度，I为减摇鳍绕鳍轴的转动惯量，[σθ]2为鳍角方差，η为传动系统的传输效率，λ1和λ2为权系数，T为横摇周期；(3)利用双重神经网络在线调整PID控制器的参数KP、KI和KD，实现PID参数自整定；双重神经网络包括系统辨识神经网络NN1和参数自整定神经网络NN2，系统辨识神经网络NN1用于识别和预测综合减摇系统输入与输出的动态关系；参数自整定神经网络NN2用于在线自整定PID控制器的参数；(4)在实时海况条件下，PID控制器中加入延迟环节在双重神经网络自整定PID控制器中加入滞后环节，在中、低海情下，PID控制器输出延迟时间为t＝0.335～0.475T1，T1为水舱振荡周期，在高海情下，PID控制器输出延时时间t＝0.122～0.239T1；(5)实时更新PID控制参数，得到最优的PID参数值，优化综合减摇系统性能指标通过步骤(3)和步骤(4)得到最优PID参数KP、KI和KD，优化综合减摇系统输出的横摇角和鳍角速率，在任...

【技术特征摘要】
1.一种基于能量优化的综合减摇装置双重神经网络自整定PID控制方法，其特征是：(1)建立综合减摇系统模型，以海浪波倾角作为综合减摇系统输入当船舶同时装备减摇鳍和被动式减摇水舱，减摇鳍产生扶正力矩时，综合减摇系统模型为：其中，lf为自减摇鳍上水动力压力中心到船舶重心的作用力臂，ρt为海水密度，V为航速，AF为减摇鳍的投影面积，为升力系数斜率，φ为横摇角，为横摇角速度，为横摇角加速度，Kh为航速调节系数，KI、KP、KD为PID参数，它们分别为h为初稳心高，F为常数，Kω＝Dhαecosωt为扰动力矩，I1为相对于通过船舶重心的纵轴的惯量和附加惯量之和，为舱内液体对横摇轴的质量惯性矩，S为沿水舱轴线的法线方向的局部截面积，r为微质量dm的质心到横摇轴的距离微质量，为船舶阻尼系数，D为排水量，h′为加入水舱后稳心高，ρt为海水密度，S0为边舱自由液面面积，为水舱轴线对横摇轴的静压力矩，γ为r与d之间的夹角，dl为液体微体积沿水舱轴线的长度，l为U型水舱轴线长度，z为边舱内水位高度，为舱内水柱相当长度，Nt为水舱阻尼系数，R为边舱中至船舶纵中刨面的水平距离，g为重力加速度；(2)建立综合减摇系统性能指标综合减摇系统性能指标可表示为：式中，σ2为横摇角方差，λ1和λ2为加权系数，p为鳍角饱和率，E2为减摇鳍系统工作消耗的能量，根据随机理论，减摇后船舶横摇角方差为：减摇鳍性能指标要求鳍角最大为22°，即θm＝22°，鳍角饱和率为13.5％时的鳍角的方差为：

【专利技术属性】
技术研发人员：于立君，刘少英，王辉，陈佳，张波波，关作钰，王正坤，李灏，
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