利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法技术

本发明专利技术提供的是一种利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法。(1)外层广义监督器监督气垫船控制系统的模拟量信号，并对所述模拟量信号进行分级量化；(2)对不同环境和船体姿态信息下制定出控制类，在每个控制类内层又包括操纵面协调控制的控制方案组合；(3)通过分级量化得到相应激活权值的输出，即信号yj，激活响应的第j个控制类，并根据期望输出信号和实际输出信号的偏差大小，对外层连接权值进行更新；(4)控制类内部通过滞留切换逻辑执行对应的多操纵面协调控制方案，并对控制方案进行实时更新。本发明专利技术较普通控制方法更加有效，使气垫船的回转更加稳定和快速。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种气垫船的航向广义切换控制方法，具体地说是一种利用环境和船体的多方位信息、基于CMAC的气垫船特有执行机构的广义切换控制方法。
技术介绍
目前，国内外对气垫船航向控制方面的研究已经有了一定的研究成果，但是大部分都是通过操纵气垫船的空气舵进行航向控制。另外，气垫船早期采用人工操控方式，主要是依靠驾驶员观察气垫船空间运动参数的变化，直接操纵执行机构。由于全垫升气垫船在风浪中航行时稳定性较差，采用人工操纵方式，不容易得到较好的控制品质，甚至可能会造成气垫船的高速回转和侧滑等危险的航行状态，更甚还可能造成翻船等严重事故。为了提高操控水平，节省时间和能源，使气垫船能够按照期望的航向航行或回转，国内外都进行了大量的研究。美国的费恩等科学家建立了气垫船四自由度操纵运动模型，并分析了全垫升气垫船的操纵性，提出了各种情况下相对优越的控制方案。DamonCummings等人还建立了气垫船的六自由度空间运动数学模型，利用牛顿迭代法对其求解，但是此类数学模型时理想化的模型。HebertSira-Ramirez将二阶动态滑膜控制用于气垫船的航迹控制，采用状态反馈方法实现了系统解耦，具有较好的鲁棒性。但是以上系统大部分都是通过操纵气垫船的空气舵来实现航向控制的。切换控制在处理不确定性问题和复杂系统具有优越性。有时，为了方便处理问题，可以把一些系统视为混杂系统，然后用一组简单的子系统去替换复杂的非线性公式，并且在这组子系统之间进行切换，以达到控制要求。传统意义上，切换控制系统一般都是由多个控制器和监督器组成，多控制器是由多个控制器组成，监督器包括多估计器、切换指标函数和离散状态的切换逻辑，如图3。监督器利用控制对象的输入输出信号估计每个模型与控制对象之间的偏差，然后切换指标函数利用估计偏差信号产生一个衡量各个模型精确性的标准评判信号μP，然后再由切换逻辑决定是否切换到最小监督信号μP所对应的控制器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能实现气垫船航向的自动控制，减轻驾驶人员的工作强度和精神负担，提高操控水平和航行稳定性的利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)外层广义监督器监督气垫船控制系统的模拟量信号，并对所述模拟量信号进行分级量化，所述模拟量信号包括横倾角、航速、风速；(2)控制类组，对不同环境和船体姿态信息下制定出控制类，在每个控制类内层又包括操纵面协调控制的控制方案组合；(3)外层切换逻辑，通过分级量化得到相应激活权值的输出，即信号yj，激活响应的第j个控制类，并根据期望输出信号和实际输出信号的偏差大小，对外层连接权值进行更新；(4)内层切换逻辑，控制类内部通过滞留切换逻辑执行对应的多操纵面协调控制方案，并对控制方案进行实时更新。本专利技术的全垫升气垫船的航向切换控制方法，利用气垫船旋转喷管、螺旋桨、侧风门以及空气舵等操纵面更特有执行机构，通过这些执行机构对气垫船进行航向控制和回转控制。本专利技术通过对横倾角、航向、风速以及航速等一系列信号的采集监督，设计了基于小脑模型CMAC的外层广义监督器和外层的广义切换功能，并且基于传统切换控制方法设计了内层的滞后切换逻辑。较普通控制方法而言，此控制方法更加有效，使气垫船的回转更加稳定和快速。本专利技术具有以下几点优点：CMAC是局部逼近网络，网络对于每个输入输出数据，只有少数的几个连接权需要进行调整，学习速度较快，可以满足气垫船控制的实时性要求。另外，CMAC作为一种具有联想功能的神经网络，具有泛化能力，因此相似的输入将产生相似的输出，这从源头上有效的避免控制输出指令的剧烈变化，减少操纵面的动作幅度和频率，有利于减小机械磨损，并且节省能源。传统切换控制只是单纯的在控制器之间进行切换，本专利技术由于广义监督器的存在，对不同控制方案按照相似度进行了分类，而且控制方案又可实时更新，这有效的提高了气垫船操纵的稳定性和灵活性。与传统的协调控制相比较，省去了繁琐的力矩协调分配算法，而直接通过更新内层比重因子而获得最优的协调控制方案。另外，本专利技术将系统控制的复杂性和不确定性分解到外层权值和内层比重因子的同时更新修正两个部分，提高系统控制的精确性。附图说明图1气垫船特有执行机构的航向广义切换控制系统原理框图。图2基于CMAC基本架构的输入输出流程图。图3传统切换控制的原理框图。图4a-图4c气垫船模拟量信息的二维分层量化原理图。图5外层权值学习原理说明图。图6内层比重因子更新过程。图7滞留切换逻辑原理流程框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，步骤如下：(1).首先，建立气垫船空间运动坐标系、各个操纵装置的数学模型，以及气垫船运动数学模型，建立全垫升气垫船的6自由度运动数学模型:参数含义如下，其中ξ,η,ζ分是固定坐标系的坐标系，分别指向正北、正东和地心，ψ是艏向角，θ是纵倾角，是横倾角，u,v,r分别是轴向速度，p,r,q分别为姿态角速度。由于气垫船是全垫升状态，一般不考虑升沉运动，另外为了简化模型，可不考虑水动力对纵情运动的影响。(2).分层量化阶段，然后采集当前时刻的实际航向角ψ、期望航向角ψd、侧滑角β、横倾角航速V以及绝对风速Vw等信号，送入广义监督器。实际输出与期望输出之间一定会有误差，设定容许偏差可以避免权值无限更新下去，从本源上减少了不同控制方案之间的连续快速切换，避免了执行器的过度磨损，延长了执行器的寿命，侧面保证了气垫船操纵的安全性和稳定性，并根据以上各个可控信息量的属性，设定与最佳期望值的容许偏差的最大上限，分别记为广义监督器现对采集到的模拟量进行分层量化，切割成许多不连续的值，这些不连续的参考状态分别对应到CMAC中不同的记忆空间，原理图见图4a-图4c。图4a-图4c中采用二级量化，将航速与横倾角进行了划分。将航速按照要求不等分为了四个等级，将横倾角不等分为三个等级，然后对这两个状态进行分层量化，第一层是A、B和a、b、c，第二层时C、D和d、e、f。则Aa，Ab，Ac，Ba，Bb，Bc是第一层的6个索引存储单元(记忆空间)，Cd，Ce，Cf，Dd，De，Df是第二层的6个索引存储单元。只有同一层的不同变量的分块组合才能形成索引单元。显然，分级的层数越多，局部泛化的能力就越大。依据上面所述的量化方法，将航速、横倾角、侧滑角等监督器的监督的信号，同理都可按照已有的实验数据进行合理分块量化。内层中的控制方案采用多操纵面协调控制的控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法，其特征是：(1)外层广义监督器监督气垫船控制系统的模拟量信号，并对所述模拟量信号进行分级量化，所述模拟量信号包括横倾角、航速、风速；(2)控制类组，对不同环境和船体姿态信息下制定出控制类，在每个控制类内层又包括操纵面协调控制的控制方案组合；(3)外层切换逻辑，通过分级量化得到相应激活权值的输出，即信号yj，激活响应的第j个控制类，并根据期望输出信号和实际输出信号的偏差大小，对外层连接权值进行更新；(4)内层切换逻辑，控制类内部通过滞留切换逻辑执行对应的多操纵面协调控制方案，并对控制方案进行实时更新。

【技术特征摘要】
2015.09.24 CN 201510616256X1.一种利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法，其特征是：
(1)外层广义监督器监督气垫船控制系统的模拟量信号，并对所述模拟量信号进行分
级量化，所述模拟量信号包括横倾角、航速、风速；
(2)控制类组，对不同环境和船体姿态信息下制定出控制类，在每个控制类内层又包括
操纵面协调控制的控制方案组合；
(3)外层切换逻辑，通过分级量化得到相应激活权值的输出，即信号yj，激活响应的第j
个控制类，并根据期望输出信号和实际输出信号的偏差大小，对外层连接权值进行更新；
(4)内层切换逻辑，控制类内部通过滞留切换逻辑执行对应的多操纵面协调控制方案，
并对控制方案进行实时更新。
2.根据权利要求1所述的利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法，其特征
是外层广义监督器中采用的气垫船的6自由度运动数学模型是：
其中ξ,η,ζ分是固定坐标系的坐标系，分别指向正北、正东和地心，ψ是艏向角，θ是纵倾
角，是横倾角，u,v,r分别是轴向速度，p,r,q分别为姿态角速度。
3.根据权利要求2所述的利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法，其特征
是对模拟量信号进行分级量化包括：
采集当前时刻实际航向角ψ、期望航向角ψd、侧滑角β、横倾角航速V以及绝对风速Vw的
模拟量，送入广义监督器，并设定与最佳期望值的容许偏差的最大上限，分别记为对采集到的模拟量进行分层量化，切割成许多不连续的参考状态，这些不连续的参考状态
分别对应到CMAC中不同的记忆空间。
4.根据权利要求3所述的利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法，其特征
是每个控制类内层的操纵面协调控制的控制方案组合采用多操纵面协调控制的控制方法，

【专利技术属性】
技术研发人员：刘向波，林孝工，李恒，王成龙，丁福光，付明玉，王元慧，李娟，
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