一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的船舶控制方法技术

本发明专利技术公开了一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的船舶控制方法，将控制策略分为面向恶劣海况和面向非恶劣海况两种情形，其中面向恶劣海况时，以保证稳定性为主要目的，采用二阶闭环增益成形算法，实现航向不稳定船舶的稳定控制，保证大风浪下船舶有良好的稳定性，面向非恶劣海况时，以保证综合性能为主要目的，对二阶闭环增益成形算法进行改进，加入非线性反馈技术、积分项以及比例常数项形成先进控制算法，保障航行综合性能。两种策略相互配合，既可保障船舶的航行效率又能在特殊情况下保障航行安全。

A ship control method for improving ship safety assurance capability in rough sea condition

The invention discloses a ship control method for improving ship safety support capability in adverse sea conditions. The control strategy is divided into two situations, one is for adverse sea conditions and the other is for non-adverse sea conditions. In the case of adverse sea conditions, the main purpose is to ensure stability, and the second-order closed-loop gain shaping algorithm is adopted to realize course instability. In order to stabilize the ship's stability control and ensure the ship's good stability under strong wind and waves, the second-order closed-loop gain shaping algorithm is improved for the main purpose of ensuring the comprehensive performance under non-harsh sea conditions. The advanced control algorithm is formed by adding non-linear feedback technology, integral term and proportional constant term to ensure the navigation comprehensiveness. Yes. The two strategies cooperate with each other, which can not only ensure the navigation efficiency of ships, but also ensure the safety of navigation under special circumstances.

【技术实现步骤摘要】
一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的船舶控制方法
本专利技术涉及船舶控制工程与船舶自动化航行领域，更具体地，涉及一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的船舶控制方法。
技术介绍
海上运输的货物由于装载量大，通常具有高价值的特点。而海上航行不同于陆地运输，环境的复杂性带来了很多风险。风浪的由于影响大、不确定且脉动性强的特点，给运输安全带来了很大隐患。因而智能船舶的控制器设计必须考虑在海况变得恶劣时，如何保障控制的稳定性。传统的船舶运动控制旨在提高航行的综合性能，即提高控制率的稳定、准确、快速、节能、经济、简单这六项特性，设计控制率时这六项特性都会给予重视，在正常航行时具有良好的效果，但在极端情况下则鲁棒性不强，仍需借助驾驶人员凭自身的经验进行操纵。因而恶劣海况下的船舶运动控制是智能船舶发展过程中需解决的一个关键技术难题，而以闭环增益成型算法(CGSA)为代表的主流控制策略尚未从船舶运输安全保障技术的角度进行过特别研究。同时，存在以下两个缺点1)闭环增益成型算法适用于稳定的输入输出过程的特点。当船舶操纵性指数T0为负值(即为航向不稳定船舶)时，控制的稳定性相对不强，因而不适用于特别恶劣海况。2)该控制算法只有一种控制策略，偏重航行的综合性能，对大风浪下稳定性考虑不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的控制系统设计方法。首先利用镜像映射技术提出二阶闭环增益成形算法，实现航向不稳定船舶的稳定控制，保证大风浪下船舶有良好的稳定性。然后对二阶闭环增益成形算法进行改进，加入非线性反馈技术、积分项以及比例常数项以提高该控制算法的综合性能，作为通常状态下的控制策略。这两种策略相互配合，既可保障航行综合性能又能在大风浪下保持稳定。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的船舶控制方法，其特征在于包括以下步骤：S1：在时间t0时，判断控制系统切换状态，如果是自动切换模式，进入步骤S2，如果不是自动切换模式，进入步骤S3；S2：读取当前风力信息，判断当前风力是否小于设定风速，如果小于设定风速，进入步骤S5，执行先进控制算法控制方案，如果大于设定风速，进入步骤S4，执行二阶闭环增益成形算法控制方案；S3：读取执行方案代号，如果方案代号为1，进入步骤S5，执行先进控制算法控制方案，如果方案代号不为1，进入步骤S4，执行二阶闭环增益成形算法控制方案；S4：执行二阶闭环增益成形算法控制方案，控制律为其中，K0，T0为船舶的操纵性指数，T1为闭环系统的时间常数，ψ为船首向角度，δ为舵角，s为拉普拉斯算子；S5：执行先进控制算法控制方案，控制律为其中，K0，T0为船舶的操纵性指数，T1为闭环系统的时间常数，ρ>1为加快系统响应的常数，ε＜0.01为消除系统静差的非常小的常数，ω＜1为使系统节能的调节非线性反馈的增益系数，ψ为船首向角度，δ为舵角，s为拉普拉斯算子；S6：判断是否达到读取时间，如达到，返回步骤S1，否则进行等待并持续执行当前控制律。进一步地，步骤S2中所述的设定风速为25m/s。从上述技术方案可以看出，本专利技术通过将制导策略分为面向恶劣海况和面向非恶劣海况两种情形，其中面向恶劣海况时，以保证稳定性为主要目的，采用二阶闭环增益成形算法，实现航向不稳定船舶的稳定控制，保证大风浪下船舶有良好的稳定性。面向非恶劣海况时，以保证综合性能为主要目的，对二阶闭环增益成形算法进行改进，加入非线性反馈技术、积分项以及比例常数项形成先进控制算法，保障航行综合性能。两种策略相互配合，既可保障航行综合性能又能在大风浪下保持稳定，达到了对恶劣海况下的船舶运动鲁棒性控制和非恶劣海况下的船舶运动控制策略的快速、节能、经济，具有显著优势。附图说明图1是本专利技术的船舶控制方法的流程图；图2是本专利技术实施例中大智号的示意图；图3是现有技术对名义模型在无风浪海况下的仿真结果；图4～9是本专利技术中二阶闭环增益成形算法分别对船舶在6级风、12级风和15级风海况下的舵角和船向角的仿真结果；图10～15是本专利技术中先进控制算法对船舶在6级风、12级风和15级风海况下的仿真结果；图16是本专利技术中二阶闭环增益成形算法和先进控制算法对船舶在15级风时海况下的仿真结果对比图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明。需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本专利技术的实施方式时，为了清楚地表示本专利技术的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本专利技术的限定来加以理解。考虑船舶的平面运动，沿用Abkowitz的研究方案，把流体动力X,Y,N展开成Taylor级数时只保留一阶小量，另考虑到船舶左右对称性，相关的导数如Xv,Xr,Xv,Xr,Xδ,Yu,Yu,Nu,Nu等为零，则可得到三自由度船舶平面运动数学模型为叠加Norrbin辨识出的非线性力(矩)公式及风浪干扰，采用“一撇”系统无量纲化，并辅以和舵机的一阶惯性系统数学模型，则考虑横漂速度v和转艏角速度r的非线性Norrbin数学模型呈现为其中：I′(4),P′(4),Q′(4)分别是惯性力导数矩阵、黏性力导数矩阵及舵力导数矩阵，其数值计算涉及10个流体动力导数Yv,Nv,Yr,Nr,Yδ,Nδ的求解，一般使用回归公式计算。是状态变量，U＝δr是控制输入，即舵令，ψ为船首向，δ为舵角；F′WIND＝[YWIND/(0.5ρL3)NWIND/(0.5ρL4)]T，F′WAVE＝[YWAVE/(0.5ρL3)NWAVE/(0.5ρL4)]T，具体表达式详见文献[2]；F′NON由式(3)给出。其中C为无量纲横流系数，取0.3～0.8；L为船长，d为船舶吃水。将式(1)进行线性化处理得到式(6)对于船舶航向保持来说，系统模型关注艏向角ψ对舵角δ的响应动态。为此，结合将式(9)所示的状态空间模型转换成传递函数形式，经整理可得式(7)。在以下本专利技术的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本专利技术的面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的控制系统设计方法的流程图。如图1所示，本专利技术的面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的控制系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：S1：在时间t0时，判断控制系统切换状态，如果是自动切换模式，进入步骤S2，如果不是自动切换模式，进入步骤S3；控制系统切换状态可以为自动切换或手动切换两种状态，在自动切换状态下，系统根据风力信息自行判断控制律的选取，在手动切换状态下，由操作人员根据需求和经验进行控制律的选取。S2：读取当前风力信息，判断当前风力是否小于设定风速，如果小于设定风速，进入步骤S5，执行先进控制算法控制方案，如果大于设定风速，进入步骤S4，执行二阶闭环增益成形算法控制方案；在自动切换状态下，系统根据风力信息自行判断控制律的选取。本具体实施例以25m/s为设定风速，对应风级为10级风。S3：读取执行方案代号，如果方案代号为1，进入步骤S5，执行先进控制算法控制方案，如果方案代号不为1，进入步骤S4，执行二阶闭环增益成形算法控制方案；在手动切换状态下，由操作人员根据需求和经验进行控制律的选取。方案代号为1，即操作人员认为控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的船舶控制方法，其特征在于包括以下步骤：S1：在时间t0时，判断控制系统切换状态，如果是自动切换模式，进入步骤S2，如果不是自动切换模式，进入步骤S3；S2：读取当前风力信息，判断当前风力是否小于设定风速，如果小于设定风速，进入步骤S5，执行先进控制算法控制方案，如果大于设定风速，进入步骤S4，执行二阶闭环增益成形算法控制方案；S3：读取执行方案代号，如果方案代号为1，进入步骤S5，执行先进控制算法控制方案，如果方案代号不为1，进入步骤S4，执行二阶闭环增益成形算法控制方案；S4：执行二阶闭环增益成形算法控制方案，控制律为

【技术特征摘要】
1.一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的船舶控制方法，其特征在于包括以下步骤：S1：在时间t0时，判断控制系统切换状态，如果是自动切换模式，进入步骤S2，如果不是自动切换模式，进入步骤S3；S2：读取当前风力信息，判断当前风力是否小于设定风速，如果小于设定风速，进入步骤S5，执行先进控制算法控制方案，如果大于设定风速，进入步骤S4，执行二阶闭环增益成形算法控制方案；S3：读取执行方案代号，如果方案代号为1，进入步骤S5，执行先进控制算法控制方案，如果方案代号不为1，进入步骤S4，执行二阶闭环增益成形算法控制方案；S4：执行二阶闭环增益成形算法控制方案，控制律为其中，K0，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张显库，张国庆，韩旭，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21