一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法技术

本发明专利技术提供的是一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法。该方法建立引入附加遭遇频率的随机海浪模型，将随机海浪作为系统输入，使用ANSYS平台分析获得三体船水动力系数，根据水动力系数建立高速三体船纵向运动数学模型，针对三体船模型设计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属度函数将输入量映射为输入论域的模糊集合，进而设计7*7三体船模糊控制规则，根据控制规则，动态控制减摇附体的迎流攻角改变量，从而控制减摇附体为三体船提供的纵向力和力矩，最大程度地抵消由海浪带来的纵向摇动，实现高速三体船纵向减摇控制。本发明专利技术降低了运动过程中的船体垂荡高度和纵摇角度，可以有效控制和改善三体船高速运行过程中的稳定性和乘客舒适度。

A method of pitching control for high speed trimaran based on fuzzy control method

The present invention provides a control method of high speed trimaran roll stabilization based on fuzzy control method. The method of a random wave model by introducing additional encounter frequency, the random wave as input, to obtain the trimaran hydrodynamic coefficients using the ANSYS analysis platform, according to the hydrodynamic coefficient of the longitudinal motion of high speed trimaran to establish mathematical model, the membership function of the trimaran model design of fuzzy control method, the membership function of the input fuzzy sets the amount is mapped to the input domain, and then the design of 7*7 trimaran fuzzy control rules, according to the control rules, the dynamic control flow volume reduction the change of attack angle stabilizing appendage, so as to control the longitudinal force and torque stabilizing appendage for trimaran, longitudinal swing maximum offset by the waves, to realize high speed trimaran ship longitudinal fin control. The invention reduces the height and the pitching angle of the ship body in the process of movement, and can effectively control and improve the stability of the trimaran during the high-speed operation and the passenger comfort.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法
本专利技术属于高速三体船减纵摇控制领域，尤其涉及一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法。
技术介绍
控制器在高速船的减摇中的使用一直是三体船性能研究中的重点部分，而控制算法的设计也一直都是控制工程中重要的课题。有别于传统控制器的设计，模糊控制不需要研究系统的一些行为参数，而是更偏向于对操作者的经验总结，归纳。现今模糊控制方法在船舶控制方面的应用多集中于单体船、低速船的控制，针对现在逐渐在军事和民用上都越来越被重视的高速、细长型三体船来说，如何实现在船舶纵向运动系统中引入适合的控制方法，进而提升高速三体船的纵向运动性能，提高乘客舒适度以及军用三体船作战稳定度是现在国内学者们还在重点研究的问题。传统PID控制方法虽然简单，但是其灵活性差，可靠性差，只适用于被控对象参数不变，非线性不严重的系统，在非线性控制方面无法实现准确跟踪和控制，在高速三体船处在复杂运行环境中，无法及时根据实时情况进行控制规则的调整和优化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种改善在不规则海浪中高速运行的细长三体船纵向运动特性的基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法。本专利技术一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法包含以下步骤：步骤一：模拟实际海况，在传统海浪模型基础上引入附加遭遇频率，建立随机海浪模型；步骤二：利用随机海浪模型，使用ANSYS平台分析获得高速三体船水动力系数，根据水动力系数建立高速三体船纵向运动数学模型，得到高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度；步骤三：针对纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)设计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属函数将输入量映射为输入论域的模糊集合，设计7*7高速三体船模糊控制规则，得到模糊控制输出迎流攻角改变量α；步骤四：建立减摇附体T型翼和压浪板的计算模型，将迎流攻角改变量α作为减摇附体计算模型输入，经过减摇附体T型翼和压浪板计算模型运算之后产生纵向改变力和力矩，反馈作用在高速三体船纵向运动系统。步骤一所述的随机海浪模型具体为：其中，A＝8.10×10-3g2，εi代表构成海浪波的相位角，是在(0，2π)区间内的随机变量，即εi＝rand(0,2π)；N为样本数，V为海浪相对于静态三体船的速度即三体船航速，H为海面上的平均潮高。步骤二所述的高速三体船纵向运动模型建立过程具体为：(1)将随机海浪模型作为整个程序的始端输入，模块由两个部分构成，分别为“海浪-力运动方程”和“力-垂荡纵摇”模型；(2)将AQWA分析得到的水动力系数作为输入，在MATLAB平台中使用“ss2tf”函数进行实现，根据水动力系数和遭遇频率范围得到纵向运动模型，输出为高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度。步骤三所述的模糊控制方法设计具体为：(1)模糊化：通过隶属函数将输入量映射成系统输入论域中的模糊量集合，模糊变量有输入量垂荡高度和纵摇角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)，以及输出量减摇附体迎流攻角改变量α，其中h代表垂荡高度，p代表纵摇角度，微分形式指其变化速度，α为迎流攻角期望角度与实际角度的差值；(2)规则建立：两个输入量的模糊子集设计为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，输出量的模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，输入输出论域都为[-3,3]；(3)模糊推理：采用三段式推理即大前提，小前提以及结论，模糊推理中，设X是输入，Y是输出，而A与B是模糊子集，则多输入--单输出推理规则如下：大前提：ifX1＝A，andX2＝B，thenY＝C小前提：X1＝A，andX2＝B结论：Y＝C(4)清晰化：选择重心法(centroid)来进行变量清晰化，并将清晰值转化为实际输出值，若重心z0的变化范围是[zmin,zmax]，则实际的输出量变化范围为[amin,amax]。步骤四所述的减摇附体T型翼和压浪板计算模型具体为：(1)二者的输入是经过模糊控制后得到的迎流攻角改变量α；(2)与迎流攻角改变量α对应的纵向改变力和力矩分别为：Mt/f＝da·Ft/f其中，CL为升力系数，da为减摇浮体距高速三体船重心的直线距离，A为T型翼或压浪板的投影面积(m2)，Ft、Ff和Mt、Mf分别表示T型翼和压浪板提供的升力和力矩。本专利技术设计的基于模糊控制的控制方法针对目前研究热门高速三体船在海中以高速度航行时的纵向减摇，明显地降低了运动过程中的船体垂荡高度和纵摇角度，模糊控制具有灵活性高，可靠性高的特点，可以更好地适应复杂的实际情况并及时对控制规则进行调整和优化，并且本专利技术可以有效控制和改善三体船高速运行过程中的稳定性和乘客舒适度。附图说明图1是本专利技术控制方法流程图；图2是本专利技术中设计的模糊控制方法机理图；图3是本专利技术实现控制方法结构图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行更详细说明。本专利技术模糊控制对象为安装在三体船底部的减摇附体T型翼和安装在艉部的压浪板，三体船未控制前的纵向运动响应--垂荡高度和纵摇角度作为模糊输入量，形成控制规则进行数据处理后再对输出进行清晰化，模糊控制输出选择为三体船中体上安装的减摇附体的迎流攻角改变量，根据控制规则，动态控制减摇附体的迎流攻角改变量α，从而控制减摇附体为三体船纵向提供的力和力矩，最大程度地抵消由海浪带来的纵向摇动，实现高速三体船纵向减摇控制。一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法流程如图1所示：首先模拟实际海况，建立引入附加遭遇频率的随机海浪模型，用时钟触发；将随机海浪模型作为系统输入，使用ANSYS平台分析获得高速三体船水动力系数，根据水动力系数建立高速三体船纵向运动数学模型，得到高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度；针对纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度的耦合值(h+p)以及其微分d(h+p)设计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属函数将输入量映射为输入论域的模糊集合，设计7*7高速三体船模糊控制规则，得到模糊控制输出迎流攻角改变量α；建立减摇附体T型翼和压浪板的纵向运动模型，将迎流攻角改变量α作为输入传递给减摇附体，经过减摇附体运动模型运算之后产生纵向改变力和力矩，反馈作用在高速三体船纵向运动系统。(1)建立随机海浪模型：海浪可视为由一系列波幅，波长以及初相位均不同的余弦波叠加组成，海浪瞬时波高的表示形式为：其中,H表示海面上的平均潮高，ζi为组成波海浪的波幅，ki表示海浪波波数，θi则是组成海浪波传播方向和x轴的夹角，ωi为构成海浪波的角频率，εi代表构成海浪波的相位角，可以认为是在(0,2π)区间内的随机变量，x为瞬时海浪沿x轴方向的宽度，z为瞬时海浪沿z轴方向的高度。实验中令海平面的平均波高为H＝0，并且保持不变，可简化海浪模型为：采用能量等分法分析如下：单位面积波能量：其中ρ是海水密度，g是重力加速度，ωi～ωi+Δωi内组成波能量是：定义波能谱密度S(ω)使得：ωi→0时，海浪单位面积能量为：则由上式得到：将上式代入(2)得到海浪瞬时波高为：由能量等分法：将上式带入(8)最终得随机海浪的模型为：其中，A＝8.1×10-3×g2，N为样本数，εi＝rand(0,2π)。在实际船舶航行中，三体船的遭遇频率比实验中的复杂很多，所以为了更精确的模拟实际海浪，我们人为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征是：包含以下步骤：步骤一：模拟实际海况，在传统海浪模型基础上引入附加遭遇频率，建立随机海浪模型；步骤二：利用随机海浪模型，使用ANSYS平台分析获得高速三体船水动力系数，根据水动力系数建立高速三体船纵向运动数学模型，得到高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度；步骤三：针对纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)设计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属函数将输入量映射为输入论域的模糊集合，设计7*7高速三体船模糊控制规则，得到模糊控制输出迎流攻角改变量α；步骤四：建立减摇附体T型翼和压浪板的计算模型，将迎流攻角改变量α作为减摇附体计算模型输入，经过减摇附体T型翼和压浪板计算模型运算之后产生纵向改变力和力矩，反馈作用在高速三体船纵向运动系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征是：包含以下步骤：步骤一：模拟实际海况，在传统海浪模型基础上引入附加遭遇频率，建立随机海浪模型；步骤二：利用随机海浪模型，使用ANSYS平台分析获得高速三体船水动力系数，根据水动力系数建立高速三体船纵向运动数学模型，得到高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度；步骤三：针对纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)设计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属函数将输入量映射为输入论域的模糊集合，设计7*7高速三体船模糊控制规则，得到模糊控制输出迎流攻角改变量α；步骤四：建立减摇附体T型翼和压浪板的计算模型，将迎流攻角改变量α作为减摇附体计算模型输入，经过减摇附体T型翼和压浪板计算模型运算之后产生纵向改变力和力矩，反馈作用在高速三体船纵向运动系统。2.根据权利要求1所述的基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征在于：步骤一所述的随机海浪模型具体为：其中，A＝8.10×10-3g2，εi代表构成海浪波的相位角，是在(0，2π)区间内的随机变量，即εi＝rand(0,2π)；N为样本数，V为海浪相对于静态三体船的速度即三体船航速，H为海面上的平均潮高。3.根据权利要求1所述的基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征在于：步骤二所述的高速三体船纵向运动模型建立过程具体为：(1)将随机海浪模型作为整个程序的始端输入，模块由两个部分构成，分别为“海浪-力运动方程”和“力-垂荡纵摇”模型；(2)将AQWA分析得到的水动力系数作为输入，在MATLAB平台中使用“ss2tf”函数进行实现，根据水动力系数和...

【专利技术属性】
技术研发人员：原新，张欣，
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