[发明专利]一种基于滑模变结构趋近律法的高速三体船减纵摇控制方法

说明书

技术领域

本发明属于高速三体船纵向运动减摇控制领域，特别涉及一种基于滑模变结构趋近律法的高速三体船减纵摇控制方法。

背景技术

经典控制理论和现代控制理论都是需要被控对象拥有清晰的数学模型，但实际的控制对象并不理想，系统的机构可能很复杂，规模很庞大，变量很多，参数多变且耦合，或系统有非线性，不确定性，时变性，滞后性的情况，传统控制理论很难用数学进行分析，并建立合乎运动规律的数学模型。通常建模时要对非线性采用线性化，分布参数要采用集中参数，时变系数需要采用定常系数，建模和实际可能会有很大出入，因此在实际控制时传统控制算法很难奏效。在三体船纵向减摇控制系统中采用传统控制方法如PID控制器，虽然算法简单，但是却只适用于被控对象参数不变，非线性不严重的系统，无法做到在三体船快速航行中实现动态控制，而且根据实验结果其控制效果也远远不能达到需求。LQR控制方法的最优控制效果取决于加权阵Q和R的选取，这样会产生很大的工作量并且误差很大。

滑模变结构控制方法优点是可进行设计并与对象参数和扰动无关，且可快速响应、抗扰动能力强、物理实现简单等。针对高速三体船减摇控制，传统的PID控制方法已经不能满足在复杂无规则海况中实现快速、非线性的实时控制了，而滑模变结构由于其具有的以上特点可以更好地适应这些复杂情况，而目前对于滑模方法应用于新兴高速三体船减纵摇方面目前还没有明确的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以更好地改善高速、细长的三体船纵向运动稳定性的基于滑模变结构趋近律法的高速三体船减纵摇控制方法。

本发明一种基于滑模变结构趋近律法的高速三体船减纵摇控制方法包括如下步骤：

步骤一：根据国际气象局海浪标准设计不同级别的随机海浪模型；

步骤二：利用随机海浪模型，使用ANSYS平台分析获得三体船水动力系数，再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：利用上述高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度，设计基于趋近律的滑模变结构控制律，得到控制输出迎流角度改变量；

步骤四：建立减摇附体T型翼和压浪板的升力和力矩计算模型，利用减摇附体迎流角度改变量得到减摇附体为三体船提供的纵向力和力矩，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：

(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；

(2)模型建立基于有理谱法，设计的有理谱定义如下所示：

其中，S_x(ω)是所涉及实平稳随机过程X(t)的功率谱密度函数，P(ω)和Q(ω)则是ω实系数多项式且分母阶次必须要高于分子；

海浪最终模型为：

ε_i代表构成海浪波的相位角，认为是在(0，2π)区间内的随机变量，即ε_i＝rand(0,2π)，S(w_i)海浪在圆频率w_i处的功率谱密度，N为样本数；

(3)海浪模块的输入为时钟，将输出作为后面模块的输入。

步骤二所述的三体船纵向运动模型具体为：

(1)使用ANSYS平台分析得到不同航速下三体船水动力系数；

(2)根据三体船在海中的航速、海浪模型以及遭遇频率，使用MATLAB平台“ss2tf”函数进行实现对三体船纵向运动模型的具体解耦和求解。

步骤三所述的基于趋近律的滑模变结构控制律具体为：

(1)建立三体船的纵向运动控制系统变结构控制：

指数趋近律设计为:

其中：为指数趋近项；

得到变结构控制：

(2)对控制律进行柔化处理：

其中，ξ为一个自主选定的小整数；

最终得到的基于趋近律的滑模变结构控制律为：

其中，参数ε决定系统的鲁棒性能，值越大鲁棒性能越好；参数q决定控制系统逐渐靠近超平面的速度，q越大，系统趋近的速度越快，A、B为系统状态矩阵，C为待求的控制矩阵，可通过使用MATLAB编译平台，利用极点配置法求得，ξ为一个自主选定的小整数。

步骤四所述的减摇附体T型翼和压浪板的升力和力矩计算模型：