[发明专利]基于变结构自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法

权利要求书

1.基于变结构自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：建立坐标系及随机海浪模型；

(1)坐标系的选取，选取固定坐标系和运动坐标系；

(2)随机海浪模型的建立，模拟海浪环境，为仿真实验提供基础；

考虑随机海浪对于高速双体船纵向运动的影响，各个阶次的谐波组合叠加形成的随机波浪，相应的谐波也是随机生成的，得到的相位和波长：

其中：ζ(t)为随机波幅；N为叠加总次数；ζ_ai为第i次的波幅；k_i是周期内波数，且k_i＝2π/λ_i；ε_i为第i次谐波的相位，取值范围为[0,2π)；

使用ITTC频谱，即

遭遇频率与自然频率的关系为：

其中：ω为自然波浪频率，U为船航速，μ_e为航向与浪向角，研究的船迎浪航行的情况，即μ_e＝0；

将式(3)代入式(2)中，得到谱密度函数为：

将S_ζ(ω_e)设置为波谱密度函数，并把该波谱分为子波，波浪时域函数为：

通过matlab可以得到随机海浪的仿真图，为后续仿真实验提供海浪环境基础；

步骤二：建立带有减摇附体的高速双体船纵向运动模型并对其进行线性化处理，得到用于控制器设计的状态空间方程；

步骤三：针对步骤二建立的高速双体船纵向运动模型，设计控制其纵向运动的自抗扰控制器，包括扩张状态观测器和非线性误差反馈控制律，并针对升沉和纵摇这两种存在耦合关系的纵向运动设计静态解耦矩阵；

(1)省略纵向减摇的自抗扰控制器的微分跟踪环节，设计扩张状态观测器和非线性误差反馈控制律；

(2)船舶纵向运动即升沉和纵摇存在耦合关系，设计两个自抗扰控制器并设计静态解耦矩阵，实现对升沉和纵摇运动的解耦控制；

步骤四：结合滑模变结构控制律，对步骤三设计的自抗扰控制器的扩张状态观测器和非线性误差反馈控制律进行改进，得到高速双体船纵向减摇控制系统的变结构自抗扰控制器；

(1)选取非奇异终端滑模控制律对传统自抗扰控制器进行变结构操作，分别在扩张状态观测器和非线性误差反馈控制律引入滑模控制律，使系统误差沿滑模面逼近系统原点，得到双体船纵向减摇的复合控制器；

(2)调节参数来调整复合控制器的控制效果，达到纵向减摇的效果。

2.根据权利要求1所述的基于变结构自抗扰控制的高速双体船纵向减摇方法，其特征在于：步骤二所述的建立带有减摇附体的高速双体船纵向运动模型具体为：

(1)从带减摇附体的双体船六自由度耦合的运动方程组中分离出升沉和纵摇相关的运动方程组：

式中：m为双体船的质量；I_y为船相对于y轴的惯性力矩；x₃、分别为升沉位移、升沉速度和升沉加速度；x₅、为纵摇角、纵摇角速度、纵摇角加速度；a_ij代表的附加质量系数；b_ij代表阻尼系数；c_ij代表恢复力系数；F_wave和M_wave分别为海浪的作用力和力矩，F_减摇附体和M_减摇附体分别表示减摇附体提供的升力和力矩；

(2)得到线性状态空间方程：

式中：A＝T^-1A₁，B＝T^-1B₁，u＝[F M]^T，