[发明专利]一种基于模糊控制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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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，ε_i代表构成海浪波的相位角，是在(0，2π)区间 内的随机变量，即ε_i＝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：if X₁＝A，and X₂＝B，then Y＝C

小前提：X₁＝A，and X₂＝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[z_min,z_max]，则实际的输出量变化范围为[a_min,a_max]。

步骤四所述的减摇附体T型翼和压浪板计算模型具体为：