[发明专利]一种基于因式分解非线性广义最小方差的舵减摇控制方法

说明书

本发明公开了一种基于因式分解非线性广义最小方差的舵减摇控制方法，包括以下步骤：(1)建立舵减摇系统多项式模型；(2)设计比例微分航向控制器并得到航向控制闭环的多项式模型；(3)合并被控对象连续模型并分成线性和非线性两部分，将线性扰动模型、线性输入参考信号模型和合并线性被控对象模型组合为左互质的离散多项式矩阵模型；(4)求输入信号和扰动信号的合并功率谱，并设计最优化目标函数；(5)获取橫摇误差信号；(6)根据因式分解非线性广义最小方差方法设计橫摇减摇控制规律，计算橫摇减摇舵角控制指令信号；(7)判断控制效果是否满意，如果“是”则结束控制，如果“否”则更新状态返回步骤(5)重新计算舵减摇控制指令信号。

技术领域

本发明涉及船舶运动控制领域，特别是涉及一种基于因式分解非线性广义最小方差的舵减摇控制方法。

技术背景

船舶在海上航行不可避免产生六自由度摇摆运动，船舶摇摆运动过程橫摇运动较为剧烈，过大的横摇运动严重影响船载电气设备的正常运行和船员的舒适度；艏摇运动决定船舶航向保持精度，它们都是船舶运动控制中的重要问题。对于横摇减摇最有效的装置是减摇鳍，但是价格昂贵并且安装和维护成本高。自动舵作为艏摇(航向)控制的执行机构，是常规船舶必须装备的，在操舵运动的同时可产生附加横摇力矩实现辅助减橫摇，舵减摇装置具有节省空间、价格低廉维护成本低、易于现有船舶安装和改造等优势。舵减摇控制已被一些学者做大量研究，例如增益调节控制、舵减摇滑模控制等，常规多输入多输出舵减摇控制系统结构如图1所示。

但是舵减摇控制系统有两个明显的缺点需要克服，第一是需要对舵角和舵角速度进行约束避免过大幅度的舵角造成舵机损坏，因此液压舵机伺服系统存在非线性饱和环节；第二是舵-橫摇传递函数为一个非最小相位环节，容易引起系统不稳定。非线性广义最小方差控制方法是基于多项式系统的一种最优化控制方法，通过设计最优化目标函数中的误差权重和控制权重来处理舵机伺服系统的非线性动态和舵-橫摇的非最小相位问题，具有易于实现的优点，非线性广义最小方差控制的最优化目标函数如下：

φ₀(t)＝P_ce(t)+(F_cu)(t)

其中：为误差权重，F_c(z^-1)为控制权重，e(t)为橫摇误差信号，u(t)为舵角控制信号。

该种方法对非线性环节没有具体要求，可将非线性环节看成黑箱系统，在船舶运动控制中得到成功应用，但是当非线性广义最小方差控制器中的控制权重趋于零时，舵减摇控制系统中舵-橫摇非最小相位环节将不能被镇定，进而导致控制效果变差，不能保证整个控制系统的鲁棒性。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于因式分解非线性广义最小方差的舵减摇控制方法，解决在非线性广义最小方差舵减摇控制器中控制权重趋于零的条件下控制系统的鲁棒性问题。

本发明的技术提供的解决方案是：一种基于因式分解非线性广义最小方差的舵减摇控制方法，具体步骤包括：

(1)建立舵减摇系统多项式模型，包括，橫摇线性模型G_φ，艏摇线性模型G_ψ，舵-橫摇非最小相位环节线性模型G_δφ,舵机非线性模型G_δ，输入参考信号线性模型G_r和海浪扰动线性模型G_d；

(2)根据PID控制规律设计比例微分航向控制器C_ψ并得到航向控制闭环的多项式模型G_φδ，整个控制系统退化为一个单闭环橫摇减摇控制系统；

在步骤(2)中的航向控制闭环的多项式模型采用如下公式计算：