动态抗饱和船舶减摇控制方法及系统与流程

本发明涉及船舶运动姿态控制技术领域，尤其涉及动态抗饱和船舶减摇控制方法及系统。

背景技术：

船舶航行时横摇阻尼较小，在风浪中会产生剧烈的横摇运动。船舶的横摇运动将产生诸多不利影响，严重的横摇运动将导致舰载设备不能正常工作，使船上货物受到损坏，甚至危及船舶的航行安全；横摇还会使船员感到不适，降低船员的工作效率；对于军舰来说，横摇还会影响到武备系统的使用命中率等等。船舶减摇鳍被公认为是最为有效的主动控制式减横摇装置。

当船舶航行在风浪较大的海上时，会产生剧烈的横摇运动，使得鳍执行器经常工作于饱和状态。目前工程中设计减摇鳍系统控制律时，并没有特别的针对这种饱和状况进行设计，故在高海情下减摇效果是不理想的，甚至使得系统运行不稳定，实质上此时系统的减摇环相当于开环系统，因此对于船舶减摇鳍控制系统设计之初，就应该考虑到系统的抗饱和控制策略，从而保证系统在复杂海况下具有满意的减摇控制性能，抗饱和控制技术的研究就显得具有极其重要的工程应用价值。

因此，现有技术中的技术缺陷是：在进行减摇鳍系统控制设计时，没有考虑到饱和状况，使得在高海情下的减摇效果不理想，使船舶系统运行不稳定。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种动态抗饱和船舶减摇控制方法及系统，当船舶减摇鳍系统执行器发生幅度与速率饱和工况时，无约束鲁棒动态输出反馈控制器和动态抗饱和控制器联合作用，降低了鳍角饱和率，保证了系统减摇性能及鲁棒性。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种动态抗饱和船舶减摇控制方法，包括：

步骤S1，获得鳍执行器的幅度和速度饱和状态；

步骤S2，根据所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态，实现船舶的减摇控制：

当所述鳍执行器未发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当所述鳍执行器发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至所述鳍执行器未发生饱和，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

本发明提供的动态抗饱和船舶减摇控制方法，其技术方案为：获得鳍执行器的幅度和速度饱和状态；根据所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态，实现船舶的减摇控制：当所述鳍执行器未发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；当所述鳍执行器发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至所述鳍执行器未发生饱和，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

本发明提供的动态抗饱和船舶减摇控制方法，当船舶减摇鳍系统执行器发生幅度与速率饱和工况时，无约束鲁棒动态输出反馈控制器和动态抗饱和控制器联合作用，降低了鳍角饱和率，保证了系统减摇性能及鲁棒性。

进一步地，所述动态抗饱和控制器是通过增广矩阵变换法得到的。

进一步地，所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态包括鳍角非线性和转鳍速度饱和非线性环节。

进一步地，所述步骤S2，具体为：

建立船舶横摇运动方程；

根据所述运动方程，得到对应转换所述运动方程的标准形式；

根据所述运动方程的标准形式，设计无约束鲁棒控制器；

对所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态进行判断，得到判断结果；

根据所述判断结果，实现船舶的减摇控制：

当所述鳍执行器未发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当所述鳍执行器发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行修正优化，通过所述无约束鲁棒控制器重新进行所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至所述鳍执行器未发生饱和，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

进一步地，根据所述判断结果，实现船舶的减摇控制，具体为：

当所述鳍执行器未发生饱和时，仅有无约束鲁棒控制器工作；

获得船舶横摇角信息；

根据所述船舶横摇角信息，计算得到船舶减摇所需的横摇扶正控制力矩及鳍角指令信号，此时所述抗饱和控制器输入输出为零；

将所述鳍角指令信号发送给鳍伺服系统，根据所述鳍角指令信号，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当所述鳍执行器发生饱和时，所述抗饱和控制器工作，且所述抗饱和控制器输入输出不为零；

对所述动态抗饱和控制器进行修正优化，通过所述无约束鲁棒控制器重新进行所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至所述鳍执行器未发生饱和；

将所述鳍角指令信号发送给鳍伺服系统，根据所述鳍角指令信号，驱动鳍转动，完成减摇控制。

第二方面，本发明提供了一种动态抗饱和船舶减摇控制系统，包括：

数据获取模块，用于获得鳍执行器的幅度和速度饱和状态；

减摇控制模块，用于根据所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态，实现船舶的减摇控制：

当所述鳍执行器未发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当所述鳍执行器发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至所述鳍执行器未发生饱和，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

本发明的动态抗饱和船舶减摇控制系统，其技术方案为：数据获取模块，用于获得鳍执行器的幅度和速度饱和状态；减摇控制模块，用于根据所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态，实现船舶的减摇控制：当所述鳍执行器未发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；当所述鳍执行器发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至所述鳍执行器未发生饱和，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

本发明提供的动态抗饱和船舶减摇控制系统，当船舶减摇鳍系统执行器发生幅度与速率饱和工况时，无约束鲁棒动态输出反馈控制器和动态抗饱和控制器联合作用，降低了鳍角饱和率，保证了系统减摇性能及鲁棒性。

进一步地，所述动态抗饱和控制器是通过增广矩阵变换法得到的。

进一步地，所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态包括鳍角非线性和转鳍速度饱和非线性环节。

进一步地，所述减摇控制模块，具体用于：

建立船舶横摇运动方程；

根据所述运动方程，得到对应转换所述运动方程的标准形式；

根据所述运动方程的标准形式，设计无约束鲁棒控制器；

对所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态进行判断，得到判断结果；

根据所述判断结果，实现船舶的减摇控制：

当所述鳍执行器未发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当所述鳍执行器发生饱和时，对所述动态抗饱和控制器进行修正优化，通过所述无约束鲁棒控制器重新进行所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至所述鳍执行器未发生饱和，对所述动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

进一步地，所述减摇控制模块，具体用于：

当所述鳍执行器未发生饱和时，仅有无约束鲁棒控制器工作；

获得船舶横摇角信息；

根据所述船舶横摇角信息，计算得到船舶减摇所需的横摇扶正控制力矩及鳍角指令信号，此时所述抗饱和控制器输入输出为零；

将所述鳍角指令信号发送给鳍伺服系统，根据所述鳍角指令信号，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当所述鳍执行器发生饱和时，所述抗饱和控制器工作，且所述抗饱和控制器输入输出不为零；

对所述动态抗饱和控制器进行修正优化，通过所述无约束鲁棒控制器重新进行所述鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至所述鳍执行器未发生饱和；

将所述鳍角指令信号发送给鳍伺服系统，根据所述鳍角指令信号，驱动鳍转动，完成减摇控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1示出了本发明实施例所提供的一种动态抗饱和船舶减摇控制方法的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种动态抗饱和船舶减摇控制方法及系统的鳍角幅度和速率饱和状态示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种动态抗饱和船舶减摇控制系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

图1示出了本发明实施例所提供的一种动态抗饱和船舶减摇控制方法的流程图；如图1所示，实施例一提供的一种动态抗饱和船舶减摇控制方法，包括：

步骤S1，获得鳍执行器的幅度和速度饱和状态；

步骤S2，根据鳍执行器的幅度和速度饱和状态，实现船舶的减摇控制：

当鳍执行器未发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当鳍执行器发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至鳍执行器未发生饱和，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

本发明提供的动态抗饱和船舶减摇控制方法，其技术方案为：获得鳍执行器的幅度和速度饱和状态；根据鳍执行器的幅度和速度饱和状态，实现船舶的减摇控制：当鳍执行器未发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；当鳍执行器发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至鳍执行器未发生饱和，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

本发明提供的动态抗饱和船舶减摇控制方法，当船舶减摇鳍系统执行器发生幅度与速率饱和工况时，无约束鲁棒动态输出反馈控制器和动态抗饱和控制器联合作用，降低了鳍角饱和率，保证了系统减摇性能及鲁棒性。

在船舶减摇鳍系统中的动态抗饱和控制策略通过两步法设计完成，即无约束的减横摇H_∞控制器(无约束鲁棒控制器)和动态抗饱和控制器。

当鳍角未达到饱和限度时，系统正常工作在线性区域，抗饱和控制器不工作；

当鳍角达到饱和限度时，动态抗饱和控制器投入工作，修正系统的无约束H_∞控制器参数，保证系统处于线性稳定工作区域。

优选地，动态抗饱和控制器是通过增广矩阵变换法得到的。

结合图2，具体地，鳍执行器的幅度和速度饱和状态包括鳍角非线性和转鳍速度饱和非线性环节。

鳍执行器工作在非饱和区域时，其伺服系统可认为是线性系统。

鳍角饱和特性，鳍执行器的最大转动角度受限范围：

-α_max≤α_f≤α_max (1)

转鳍速度饱和特性，鳍执行器最大角速度也是受限的：

其中，步骤S2中，对动态抗饱和控制器进行设计，主要通过以下步骤实现：

Step1：采用线性微分包含法处理船舶横摇模型中的非线性不确定项；

Step2：首先在不考虑系统饱和工况时，根据H_∞鲁棒性能指标，设计船舶减摇鳍H_∞控制器，即无约束的减横摇H_∞控制器，给出系统线性区的扶正控制力矩及鳍角指令信号。

Step3：考虑饱和工况时，采用动态抗饱和控制器对横摇H_∞控制器进行修正控制。对于幅度与速率饱和问题，通过增广矩阵变换法进行动态抗饱和控制器设计。

Step4：判定系统满足代数环良定条件下(一定条件)，给出L₂增益指标下的闭环系统稳定条件。

Step5：转化为LMI最优化问题，给出最优动态抗饱和控制器。

其中，Step1具体为：

1、建立船舶横摇运动方程，船舶横摇运动方程为：

其中：I_x为船舶对x轴的转动惯量；ΔI_x为船舶对x轴的附加转动惯量；2N_p为每单位横摇角速度的船舶阻尼力矩；W为船舶排水量；h为横稳心高；为横摇角；K_f为减摇鳍产生的扶正控制力矩；K_d为船舶受到的海浪横摇干扰力矩。

2、根据运动方程，得到对应转换运动方程的标准形式；

令作为状态变量，作为输出变量，u＝K_f作为输入变量，w＝K_w为海浪干扰，得到系统状态方程：

进一步得到系统状态空间描述如下：

Step2，根据运动方程的标准形式，设计无约束鲁棒控制器，具体为：

饱和未发生时，其无约束减摇动态输出反馈控制器为：

其中，A_c、B_c、C_c、D_c是适当维数矩阵，为控制器状态变量。

此时系统鳍执行器的输入等于系统控制器的输出，即u_a＝u_c；系统的控制输入等于鳍执行器的输出，即u＝y_a，未发生饱和时系统的控制器输出u_c与执行器输出u是线性关系。

由式(5)和(6)构成的闭环系统为：

其中，在I-D_cD和I-DD_c可逆的条件下，F_L＝(I-D_cD)^-1，E_L＝(I-DD_c)^-1。

对于给定的任意常数γ＞0，若存在正定矩阵X、Y和矩阵使得如下线性矩阵不等式条件成立：

其中，闭环系统(7)的H_∞动态输出反馈控制器存在：

Step3，通过增广矩阵变换法进行动态抗饱和控制器设计，具体为：

考虑执行器幅度与速率饱和情况，当饱和发生时，动态抗饱和控制器为：

其中，A_aw、B_aw、C_aw、D_aw是适当维数矩阵，为控制器状态变量。

对系统状态方程和控制器进行增广变换，得：

Step4，具体为：

令则构成的闭环系统为：

其中：

Step5，具体为：

如果存在正定对称矩阵X＞0,S＞0、正定对角阵U以及实数γ＞0，若矩阵L₁，L₂，L₃，L₄使得下式成立：

其中：

则系统(14)式稳定，且系统的L₂增益小于γ，系统的动态抗饱和控制器为：

然后，对鳍执行器的幅度和速度饱和状态进行判断，得到判断结果；

最后，根据判断结果，实现船舶的减摇控制：

当鳍执行器未发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当鳍执行器发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至鳍执行器未发生饱和，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

具体地，根据判断结果，实现船舶的减摇控制：

当鳍执行器未发生饱和时，仅有无约束鲁棒控制器工作；

获得船舶横摇角信息；

根据船舶横摇角信息，计算得到船舶减摇所需的横摇扶正控制力矩及鳍角指令信号，此时抗饱和控制器输入输出为零；

将鳍角指令信号发送给鳍伺服系统，根据鳍角指令信号，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当鳍执行器发生饱和时，抗饱和控制器工作，且抗饱和控制器输入输出不为零；

对动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至鳍执行器未发生饱和；

将鳍角指令信号发送给鳍伺服系统，根据鳍角指令信号，驱动鳍转动，完成减摇控制。

图3示出了本发明实施例所提供的一种动态抗饱和船舶减摇控制系统的示意图。如图3所示，本实施例提供了一种动态抗饱和船舶减摇控制系统10，包括：

数据获取模块101，用于获得鳍执行器的幅度和速度饱和状态；

减摇控制模块102，用于根据鳍执行器的幅度和速度饱和状态，实现船舶的减摇控制：

当鳍执行器未发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当鳍执行器发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至鳍执行器未发生饱和，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

本发明的动态抗饱和船舶减摇控制系统10，其技术方案为：数据获取模块101，用于获得鳍执行器的幅度和速度饱和状态；减摇控制模块102，用于根据鳍执行器的幅度和速度饱和状态，实现船舶的减摇控制：当鳍执行器未发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；当鳍执行器发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至鳍执行器未发生饱和，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

本发明提供的动态抗饱和船舶减摇控制系统10，当船舶减摇鳍系统执行器发生幅度与速率饱和工况时，无约束鲁棒动态输出反馈控制器和动态抗饱和控制器联合作用，降低了鳍角饱和率，保证了系统减摇性能及鲁棒性。

在船舶减摇鳍系统中的动态抗饱和控制策略通过两步法设计完成，即无约束的减横摇H_∞控制器(无约束鲁棒控制器)和动态抗饱和控制器。

当鳍角未达到饱和限度时，系统正常工作在线性区域，抗饱和控制器不工作；

当鳍角达到饱和限度时，动态抗饱和控制器投入工作，修正系统的无约束H_∞控制器参数，保证系统处于线性稳定工作区域。

优选地，动态抗饱和控制器是通过增广矩阵变换法得到的。

参见图2，具体地，鳍执行器的幅度和速度饱和状态包括鳍角非线性和转鳍速度饱和非线性环节。

鳍执行器工作在非饱和区域时，其伺服系统可认为是线性系统。

鳍角饱和特性：即鳍执行器的最大转动角度受限范围：

-α_max≤α_f≤α_max (1)

转鳍速度饱和特性，即鳍执行器最大角速度也是受限的：

其中，减摇控制模块102中，对动态抗饱和控制器进行设计，主要通过以下步骤实现：

Step1：采用线性微分包含法处理船舶横摇模型中的非线性不确定项；

Step2：首先在不考虑系统饱和工况时，根据H_∞鲁棒性能指标，设计船舶减摇鳍H_∞控制器，即无约束的减横摇H_∞控制器，给出系统线性区的扶正控制力矩及鳍角指令信号。

Step3：考虑饱和工况时，采用动态抗饱和控制器对横摇H_∞控制器进行修正控制。对于幅度与速率饱和问题，通过增广矩阵变换法进行动态抗饱和控制器设计。

Step4：判定系统满足代数环良定条件下，给出L₂增益指标下的闭环系统稳定条件。

Step5：转化为LMI最优化问题，给出最优动态抗饱和控制器。

其中，Step1具体为：

1、建立船舶横摇运动方程，船舶横摇运动方程为：

其中：I_x为船舶对x轴的转动惯量；ΔI_x为船舶对x轴的附加转动惯量；2N_p为每单位横摇角速度的船舶阻尼力矩；W为船舶排水量；h为横稳心高；为横摇角；K_f为减摇鳍产生的扶正控制力矩；K_d为船舶受到的海浪横摇干扰力矩。

2、根据运动方程，得到对应转换运动方程的标准形式；

令作为状态变量，作为输出变量，u＝K_f作为输入变量，w＝K_w为海浪干扰，得到系统状态方程：

进一步得到系统状态空间描述如下：

Step2，根据运动方程的标准形式，设计无约束鲁棒控制器，具体为：

饱和未发生时，其无约束减摇动态输出反馈控制器为：

其中，A_c、B_c、C_c、D_c是适当维数矩阵，为控制器状态变量。

此时系统鳍执行器的输入等于系统控制器的输出，即u_a＝u_c；系统的控制输入等于鳍执行器的输出，即u＝y_a，未发生饱和时系统的控制器输出u_c与执行器输出u是线性关系。

由式(5)和(6)构成的闭环系统为：

其中，在I-D_cD和I-DD_c可逆的条件下，F_L＝(I-D_cD)^-1，E_L＝(I-DD_c)^-1。

对于给定的任意常数γ＞0，若存在正定矩阵X、Y和矩阵使得如下线性矩阵不等式条件成立：

其中，闭环系统(7)的H_∞动态输出反馈控制器存在：

Step3，通过增广矩阵变换法进行动态抗饱和控制器设计，具体为：

考虑执行器幅度与速率饱和情况，当饱和发生时，动态抗饱和控制器为：

其中，A_aw、B_aw、C_aw、D_aw是适当维数矩阵，为控制器状态变量。

对系统状态方程和控制器进行增广变换，得：

Step4，具体为：

令则构成的闭环系统为：

其中：

Step5，具体为：

如果存在正定对称矩阵X＞0,S＞0、正定对角阵U以及实数γ＞0，若矩阵L₁，L₂，L₃，L₄使得下式成立：

其中：

则系统(14)式稳定，且系统的L₂增益小于γ，系统的动态抗饱和控制器为：

然后，对鳍执行器的幅度和速度饱和状态进行判断，得到判断结果；

最后，根据判断结果，实现船舶的减摇控制：

当鳍执行器未发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当鳍执行器发生饱和时，对动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至鳍执行器未发生饱和，对动态抗饱和控制器进行设计，驱动鳍转动，完成减摇控制。

具体地，减摇控制模块102，具体用于：

当鳍执行器未发生饱和时，仅有无约束鲁棒控制器工作；

获得船舶横摇角信息；

根据船舶横摇角信息，计算得到船舶减摇所需的横摇扶正控制力矩及鳍角指令信号，此时抗饱和控制器输入输出为零；

将鳍角指令信号发送给鳍伺服系统，根据鳍角指令信号，驱动鳍转动，完成减摇控制；

当鳍执行器发生饱和时，抗饱和控制器工作，且抗饱和控制器输入输出不为零；

对动态抗饱和控制器进行修正优化，通过无约束鲁棒控制器重新进行鳍执行器的幅度和速度饱和状态的判断，直至鳍执行器未发生饱和；

将鳍角指令信号发送给鳍伺服系统，根据鳍角指令信号，驱动鳍转动，完成减摇控制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。