一种基于综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法技术方案

本发明专利技术的目的在于提供一种基于综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法，针对船舶减摇问题，对综合减摇系统动力学模型方程进行分析，得到该系统为混沌系统。利用相图与Lyapunov指数谱分析方法，验证该系统在特定条件下的混沌行为，通选取受控参数，利用非线性反馈控制方法使系统的混沌行为得到有效控制。本发明专利技术不仅使系统混沌动力学行为得到了改善，还保留系统原有的动力学特性。将混沌搜索算法与蚁群算法相结合，实现对PID控制参数寻优，使混沌蚁群算法不仅具备较强全局优化能力，同时还加快了系统收敛速度，从而使控制系统性能得到明显提高。对于有效设计出船舶横摇运动的控制器设备具有较强的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法
本专利技术涉及的是一种船舶减摇控制方法。
技术介绍
随着船舶横摇运动理论飞速发展，国内外学者利用非线性理论及方法开始对船舶减摇过程中出现大量复杂非线性现象进行研究分析。混沌理论及混沌控制理论的发展为船舶横摇运动分析提供了新思路。C.Novara-L.Fagiano提出利用直接反馈控制设计非线性系统，克服由非线性参数变化给设计带来困难，李天伟利用矩形脉冲对船舶航向运动模型进行微扰控制取得良好控制效果，张惠采用数值分析方法指出结构参数变化对机翼非线性系统混沌运动产生影响，为利用改变结构参数实现混沌特性有效控制提供参考依据。大连海事大学的马磊和张显库在船舶力学(第17卷第7期,2013年7月,p741-747.)上面发表了《基于混沌分析的船舶参数激励横摇运动及其减摇鳍控制研究》，文章运用李雅普诺夫指数(Lyapunov)和Welch法对船舶参数激励横摇运动进行混沌分析，发现当参数激励频率接近2倍于船舶固有横摇频率时，船舶参数激励横摇运动出现混沌现象，船舶出现大幅横摇甚至有倾覆危险。而后利用Backstepping方法和闭环增益成形算法设计出减摇鳍控制器抵消参数激励和外界海浪干扰产生的船舶大幅横摇，使船舶最终摆脱混沌，处于稳定的安全状态。由于该减摇鳍控制器只有在高航速下减摇效果较好。但是，在低航速下，减摇鳍控制系统不能正常工作，会影响实际控制效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供能明显提高控制系统性能的一种基于综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种基于船舶综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法，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：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：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，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)将综合减摇系统模型转化为综合减摇混沌系统模型，并利用相图及Lyapunov指数谱分析方法验证综合减摇系统模型具有混沌特性：将综合减摇系统模型的表达式进行无量纲化得：式中：令x1＝φ，x3＝z，将无量纲化方程转化为综合减摇混沌系统模型方程：(3)对综合减摇混沌系统模型进行混沌控制：利用分段二次函数x|x|作为产生混沌的发生器，选择系统李雅普诺夫指数都为非正所对应的分岔K参数作该船舶综合减摇混沌系统的非线性反馈控制器，并应用于船舶综合减摇混沌系统中进行反馈操作，使船舶综合减摇混沌系统寻找不稳定周期轨道，同时实现混沌系统的有效控制，对步骤(2)中的综合减摇混沌系统模型进行混沌控制，参数与综合减摇混沌系统模型方程相同，此时混沌控制方程为：式中：K为混沌系统模型的分岔参数；(4)采用混沌算法与蚁群算法相结合的方法，对PID参数Kp、Ki和Kd进行调整和寻优：首先利用蚁群算法初步确定最优解所在范围的大小；然后使用混沌优化算法在全局最优蚂蚁周围进行混沌搜索，若找到优于当前最优蚂蚁的解，则用它来替换当前的全局最优蚂蚁，计算更新过的最优蚂蚁的路径，便得到最优值；(5)优化综合减摇混沌系统输出的横摇角φ：通过步骤(4)得到的最优PID参数Kp、Ki和Kd，优化综合减摇混沌系统输出的横摇角φ，从而使得综合减摇混沌系统减摇效率达到75％以上，否则重复执行步骤(4)和(5)，利用混沌蚁群算法进行PID参数优化，直到减摇效率达到75％以上，其中，减摇效率R计算公式为：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。本专利技术还可以包括：1、利用混沌算法与蚁群算法相结合对PID控制器参数的寻优过程如下：(1)PID控制参数优化问题转化为混沌蚁群算法优化问题：首先把控制器的控制参数Kp、Ki、Kd可转换成组合寻优的问题，将控制参数值视为5位有效数字，待寻参数(Kp，Ki，Kd)组成15位的数字序列记为{ci,i＝1,2…15}，每个ci取值yj{j＝1,2…9}，因此每次序列可以在{(ci,yj)|i＝1,2…15,j＝1,2…9}组成区域中表示，即这个序列就是人工蚂蚁的一条路径；(2)目标函数的建立采用改进ITAE性能指标作为目标函数：其中，P为调节因子，一般取P大于1，可根据实际问题适当调整；(3)路径的构建当蚂蚁从(ci-1,yj)爬行到下一个(ci,yj)结点按照随机比例概率进行选择，当所有蚂蚁到达(15,yj)即实现一次循环，在此过程中，假设蚂蚁爬行相邻结点所用时间是相等的，与路径无关，则蚂蚁从(ci-1,yj)爬行到下一个(ci,yj)结点是按式下式作为选择路径的概率：式中：Pk(ci,yj,t)表示t时刻蚂蚁从(ci-1,yj)爬行到下一个(ci,yj)的点率，τ(ci,yj,t)为t时刻(ci,yj)结点上的信息量，η(ci,yj,t)为t时刻(ci,yj)结点上的能见度；(4)信息素的更新，确定最优蚂蚁：当全部蚂蚁从原点出发，15个单位时间过后，每只蚂蚁都爬到终点，计算各蚂蚁的路径长度，寻找当前的最优解，即为最优蚂蚁；(5)利用混沌算法对在全局最优蚂蚁周围进行混沌搜索，得到最优解：利用混沌算法对在全局最优蚂蚁周围进行混沌搜索，若找到优于当前最优蚂蚁的解，则用它来替换当前的全局最优蚂蚁，计算更新过的最优蚂蚁，便得到最优值，若未找到优于当前最优蚂蚁的解，则当前蚂蚁的解为最优值。本专利技术的优势在于：本专利技术运用混沌理论对综合减摇系统(减摇鳍和减摇水舱)动力学方程进行混沌行为分析，并采用非线性反馈控制法对系统实现混沌控制，不仅使系统混沌动力学行为得到了改善，还保留系统原有的动力学特性。同时并利用混沌蚁群算法实现对PID控制参数寻优，通过对比表明，该算法不仅扩大了搜索范围，还提高搜索效率和搜索精度。使寻优后的控制器的控制性能得到明显的改善。附图说明图1为本专利技术的船舶减摇优化原理方框图；图2为本专利技术控制方法流程图；图3为李雅普诺夫指数(Lyapunov)动态变化图；图4a为系统的三维混沌相图a，图4b为系统的三维混沌相图b，图4c为系统的三维混沌相图c，图4d为系统的三维混沌相图d；图5为李雅普诺夫指数(Lyapunov)随K变化曲线；图6a为非线性反馈控制系统的相图a，图6b为非线性反馈控制系统的相图b，图6c为非线性反馈控制系统的相图c，图6d为非线性反馈控制系统的相图d；图7为两种不同优化策略PID系统的阶跃响应示意图。具体实施方式下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于船舶综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法，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：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]]>A=lfρtV2AF∂Cy∂αKhKI,]]>B=lfρtV2AF∂Cy∂αKhKP,]]>C=lfρtV2AF∂Cy∂αKhKD,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，分别为KI=DhFlfρtAF∂Cy∂αV2,]]>KD=I1FlfρtAf∂Cy∂αV2,]]>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)将综合减摇系统模型转化为综合减摇混沌系统模型，并利用相图及Lyapunov指数谱分析方法验证综合减摇系统模型具有混沌特性：将综合减摇系统模型的表达式进行无量纲化得：φ··+2vφφ·+ωφ2φ-βz··-atz=Kωz··+2vtz·+ωt2z-btφ··-Rωt2φ=0]]>式中：Tφ=2πωφ,2vt=2Nt2ρtS0λt,bt=b22λt,2vφ=2Nφ+B(I1+Jt+C),ωt2=gλt,αt=2ρtgS0R(I1+Jt+C),]]>β=ρtS0b2(I1+Jt+C),ωφ2=Dh′+A(I1+Jt+C);]]>令x1＝φ，x3＝z，将无量纲化方程转化为综合减摇混沌系统模型方程：x·1=x2x·2=Kω+(at-βωt2)x3+(βRωt2-ωφ2)x1-2βvtx4-2vφx21-βbtx·3=x4x·4=btKω+(atbt-ωt2)x3+(Rωt2-ωφ2bt)x1-2vtx4-2vφbtx21-βbt]]>(3)对综合减摇混沌系统模型进行混沌控制：利用分段二次函数x|x|作为产生混沌的发生器，选择系统李雅普诺夫指数都为非正所对应的分岔K参数作该船舶综合减摇混沌系统的非线性反馈控制器，并应用于船舶综合减摇混沌系统中进行反馈操作，使船舶综合减摇混沌系统寻找不稳定周期轨道，同时实现混沌系统的有效控制，对步骤(2)中的综合减摇混沌系统模型进行混沌控制，参数与综合减摇混沌系统模型方程相同，此时混沌控制方程为：...

【技术特征摘要】
1.一种基于船舶综合减摇混沌系统的PID控制器优化控制方法，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：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：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，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)将综合减摇系统模型转化为综合减摇混沌系统模型，并利用相图及Lyapunov指数谱分析方法验证综合减摇系统模型具有混沌特性：将综合减摇系统模型的表达式进行无量纲化得：式中：令x1＝φ，x3＝z，将无量纲化方程转化为综合减摇混沌系统模型方程：(3)对综合减摇混沌系统模型进行混沌控制：利用分段二次函数x|x|作为产生混沌的发生器，选择系统Lyapunov指数都为非正所对应的分岔K参数作该船舶综合减摇混沌系统的非线性反馈控制器，并应用于船舶综合减摇混沌系统中进行反馈操作，使船舶综合减摇混沌系统寻找不稳定周期轨道，同时实现混沌系统的有效控制，对步骤(2)中的综合减摇混沌系统模型进行混沌控制，参数与综合减摇混沌系统模型方程相同，此时混沌控制方程为：

【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