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原文传递一种基于自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法

专利名称：	一种基于自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法
摘要：	本发明属于高速双体船纵向运动减摇控制领域，具体涉及一种基于自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法。包括设计不同级别的随机海浪模型；使用STAR‑CCM以及AQWA软件对双体船和减摇附体进行设计分析，建立其T型翼和压浪板的纵向运动模型，得到纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度；采用自抗扰控制系统作为其控制系统，以双体船的升沉和纵摇作为控制对象，利用自抗扰控制器对其进行控制；通过闭合回路补偿双体船升沉与纵摇的动态耦合部分产生的系统内扰，采用自抗扰控制多变量解耦控制方法设计静态解耦矩阵，对双输入双输出系统进行解耦控制，分别通过两个控制器控制T型翼与压浪板，达到减摇的效果。本发明能够有效地减弱海浪对于双体船运动稳定性的影响。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工程大学
发明人：	原新;于婧睿;杨俊凯
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201910194886.0
公开号：	CN109878633A
分类号：	B63B9/00(2006.01);B;B63;B63B;B63B9
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室
主权项：	1.一种基于自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、根据国际气象局海浪标准设计不同级别的随机海浪模型；步骤2、利用随机海浪模型，使用STAR-CCM以及AQWA水动力分析软件，对双体船和减摇附体进行设计分析，建立双体船以及减摇附体T型翼和压浪板的纵向运动模型，得到纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度；步骤3、采用自抗扰控制系统作为双体船的减摇附体控制系统，以双体船的升沉和纵摇作为控制对象，利用自抗扰控制器对其进行控制；步骤4、利用自抗扰控制器的自身观测特点将双体船升沉与纵摇的动态耦合部分看作是系统的内扰，通过闭合回路加以补偿，并采用自抗扰控制多变量解耦控制方法设计静态解耦矩阵，对双输入双输出系统进行解耦控制，分别通过两个控制器控制T型翼与压浪板，达到减摇的效果。 2.根据权利要求1所述一种基于自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法，其特征在于，步骤1中所述随机海浪模型为：步骤1、根据国际气象学组织规定的不同级别海浪对应的不同有效波高H和频段，使用MATLAB编程实现不同级别的随机海浪模型的建立；步骤2、选择P-M谱模拟随机海浪；步骤3、P-M谱的表达式为：式中：S(ω)为功率谱密度，ω为频率，g为重力加速度，为海浪的有义波高，最终得到带遭遇频率的随机海浪模型为：式中，A＝8.1×10-3×g2，U为船速，N为样本数，εi＝rand(0，2π)，步骤4、海浪模块的输入为时钟，将输出作为后面模块的输入。 3.根据权利要求1所述一种基于自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法，其特征在于，步骤2所述双体船纵向运动模型为：步骤1、由达朗贝尔定理得到双体船纵摇和升沉运动方程组：式中：m33是双体船的质量，aij是海水对双体船的附加质量，x3是升沉量，bij是阻尼系数，cij是恢复系数，x5是纵摇量，m55是双体船的纵摇惯性力矩步骤2、使用STAR-CCM以及AQWA平台分析得到不同航速下双体船水动力系数；步骤3、根据双体船在海中的航速、海浪模型以及遭遇频率，使用MATLAB平台“ss2tf”函数实现对双体船纵向运动模型的具体解耦和求解。 4.根据权利要求1所述一种基于自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法，其特征在于，步骤3中所述采用自抗扰控制系统作为双体船的控制系统具体包括以下步骤：步骤1、对带有T型翼和压浪板的双体船设计自抗扰控制器的微分跟踪器设计及参数整定：其离散形式为：式中，h为积分步长，影响跟踪器主要跟踪效果的因素有两个：快慢因子r与积分步长h；步骤2、扩张状态观测器设计及参数整定：二阶扩张状态观测器的具体形式为：由式可知，系统状态变量x1(t),x2(t)的估计值为z1(t),z2(t)，扩张状态观测器需要整定的参数共有7个，分别为β01，β02，β03，a1，a2，δ，b，其中参数a1、a2、δ是非线性函数fal(·)的参数，a1，a2的取值范围在0到1之间；步骤3、非线性状态误差反馈控制律参数整定：非线性状态误差反馈控制律环节将微分跟踪器环节收集到的期望值和其微分值与扩张状态观测器环节收集到的系统输出的两个状态信息进行做差比较后的信号进行非线性组合，以此得到控制量u0，当研究对象为二阶系统时，选取以下控制律：非线性状态误差反馈控制律需要整定的参数有五个：β1、β2、a1、a2、δ，β1，β2，为非线性环节的增益，当调节速度慢时，增大β1，反之减小β1；步骤4、对上述环节进行matlab仿真，构建simulink框图，选取不同的参数进行仿真对比，以验证其性能。
所属类别：	发明专利