[发明专利]一种船用舵鳍联合减摇控制系统

说明书

本发明公开一种基于改进模型预测控制抗干扰的舵鳍联合减摇控制系统，旨在解决常规舵鳍联合减摇控制系统存在时变干扰、模型失配和频繁操舵操鳍问题，具体包括以下步骤：构建了考虑时变干扰的离散化三自由度船舶数学模型；以舵角鳍角作为系统输入，设计滑模观测器对干扰和系统输出进行实时观测，并将其反馈给模型预测控制器(MPC)；MPC基于扰动增量式数学模型对系统动态输出进行预测，设定期望输出值，将船舶运动控制问题转化为求解二次规划最优解问题，在添加舵角鳍角等约束条件下求解出最优控制律；滤波器对控制律进行高频降噪。本发明观测精度高，减摇效果好，抗扰能力强，避免频繁操舵操鳍引起的执行机构磨损和能源损耗。

技术领域

本发明属于船舶减摇领域，具体涉及一种改进模型预测控制抗干扰的舵鳍联合减摇控制系统。

背景技术

舰船在海上航行时遭受风浪和恶劣天气的影响会产生剧烈的摇晃，严重的横摇会损坏船体，甚至危机货物设备及人员的安全，从而造成重大的事故。大部分舰船常常通过操纵减摇鳍来减小干扰引起的横摇，单独利用舵来保持航向，而这种单独的控制方式不利于船舶综合控制性能的提高，伴随着舰船编队、护航补给、反潜防空等任务的增加，对舰船平台提出了更高的稳定性要求。为此，对舰船等水面航行器采用舵鳍联合减摇控制不仅可以保证更加稳定的生活平台，同时对于减少能源消耗和执行机构磨损也尤为重要。

船舶在海上航行时难以避免的遭受多来源多类型的干扰，控制系统的动态性能和稳态精度常常会受到干扰的严重影响，甚至会破坏闭环系统的稳定性。舵鳍联合减摇控制系统可以等价为一个二输入多输出的非线性系统，存在时变干扰、模型失配、频繁操舵操鳍等问题，在满足执行机构的输入约束前提下，设计舵角鳍角控制律是亟待解决的难点。

论文《基于航速损失约束的船舶横摇/航向控制研究》和《基于反馈线性化的船舶舵鳍联合减摇MPC控制》设计的模型预测控制器(MPC)，存在以下问题：

(1)线性化过后的数学模型简单，设计常规的MPC未考虑外界干扰对船舶系统输出的不利影响，难以准确的预测系统的动态输出；

(2)求解控制律的约束条件中未加入角速度约束，会频繁操舵导致航向不断发生变化，增加舵机构磨损和能源损耗。

论文《基于等价输入干扰滑模观测器的磁悬浮球系统模型预测控制》提供的方法与本发明的改进模型预测控制器相比，有以下问题：

(1)未充分利用观测得到的干扰值，只是简单的前馈结合控制律去抵消外界干扰，没有考虑补偿后的复合控制律是否满足机构输入约束问题；

(2)观测器只对规律波进行干扰观测，未观测时变未知干扰，实际意义不足。

发明内容

为解决常规舵鳍联合减摇控制系统中存在时变干扰、模型失配和频繁操舵操鳍的问题，本发明提出了一种改进模型预测控制抗干扰的舵鳍联合减摇控制系统，所述方法操作简单、计算量小、实用性强。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

设计了一种基于改进模型预测控制抗干扰的舵鳍联合减摇控制系统，具体包括MPC模型预测控制器、滑模观测器、船舶运动系统、滤波器。首先构建了考虑时变干扰的离散化三自由度船舶数学模型；其次，以舵角鳍角作为系统输入，设计滑模观测器对时变干扰和系统输出进行实时观测，并将其反馈给MPC；然后，MPC基于扰动增量式数学模型对系统未来动态进行预测，设定期望输出值，搭建目标函数，将船舶运动控制问题转化为求解二次规划最优解问题，在添加舵鳍等约束条件的情况下求解出最优控制律；最后通过滤波器对控制律进行高频降噪和柔顺处理，仿真结果验证该系统观测精度高，减摇效果好，抗扰能力强，避免了频繁操舵操鳍引起的执行机构磨损和能源损耗。具体包括以下步骤：

步骤一、构建考虑时变干扰的离散线性化的船舶三自由度(横摇、艏摇、横荡)数学模型：