一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，横摇检测装置检测横摇角，并通过状态估计器估计系统的横摇角及横摇角速度，与给定值作差送入反馈线性化控制器；采用基于模糊树的自适应控制器修正反馈线性化控制器的输出，得到所需的横摇扶正力矩；修正后的输出信号即减横摇控制器的输出信号送入鳍角、翼鳍角智能优化器，前述的减横摇控制器由反馈线性化控制器、基于模糊树的自适应控制器和误差观测器组成；鳍角、翼鳍角智能优化器进行角度分配，给出实时的鳍角、翼鳍角指令送入鳍、翼鳍电伺服系统；鳍、翼鳍电伺服系统基于矢量控制，驱动鳍、翼鳍转动，产生所需的扶正力矩，实现对船舶减横摇控制。
【专利说明】—种船舶电伺服鳄、翼鳍减横摇智能矢量控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法。
【背景技术】
[0002]船舶在航行时容易受到海浪、海风等环境因素的影响，从而产生剧烈的横摇运动。船舶的横摇直接影响到船舶的适航性，产生诸多不利影响，更有甚者能够危及船舶的航行安全。最为有效的主动减横摇装置是减摇鳍，早期的减摇鳍多采用整体鳍，由于展弦比较小，使得鳍角受到升力失速和空泡的限制，而且对于采用两对鳍的船舶，后鳍受前鳍引起的下洗流影响，使后鳍升力下降，两鳍间的干扰直接影响了减横摇效果。
[0003]目前，船舶减摇鳍的控制一般采用电-液伺服控制，使得机械结构繁琐，制造成本大，重量体积大，而且控制维护过程复杂；而采用电伺服系统控制却能很好的解决这些缺点，并且具有很高的精度和可靠性、可维护性等特点，考虑到船舶剧烈横摇时鳍/翼鳍伺服系统需要进行平滑的调速，以满足鳍/翼鳍升力变化的需要。另外，由于电伺服系统力矩一般都不大，必须利用减速器减小伺服系统速度达到增加力矩的目的。因此，对电伺服驱动的鳍/翼鳍进行矢量控制研究十分必要。
[0004]现有的对船舶鳍/翼鳍的研究多为结构设计以及与舵/翼舵的联合控制方法方面，并未给出电伺服驱动鳍/翼鳍的矢量控制方法，而且减横摇智能控制算法有待改进。专利申请号为200710071664.7，名称为“船舶翼鳍、翼舵综合协调控制装置”的专利申请文件中公开一种翼鳍/翼舵综合协调控制装置；专利申请号为200910071807.3，名为“船舶舵/翼舵一鳍/翼鳍联合控制方法”的专利申请文件中公开了一种联合控制方法，但都未给出电驱动鳍/翼鳍的矢量控制方法，而且减横摇算法应用也存在一定的限制。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，实现有效改善船舶横摇减摇效果的智能控制。
[0006]实现本发明目的技术方案:
[0007]一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，其特征在于:
[0008]步骤1:横摇检测装置检测横摇角，并通过状态估计器估计系统的横摇角及横摇角速度，与给定值作差送入反馈线性化控制器；
[0009]步骤2:采用基于模糊树的自适应控制器修正反馈线性化控制器的输出，得到所需的横摇扶正力矩；修正后的输出信号即减横摇控制器的输出信号u送入鳍角、翼鳍角智能优化器，前述的减横摇控制器由反馈线性化控制器、基于模糊树的自适应控制器和误差观测器组成；
[0010]步骤3:鳍角、翼鳍角智能优化器进行角度分配，给出实时的鳍角、翼鳍角指令送入鳍、翼鳍电伺服系统；
[0011]步骤4:鳍、翼鳍电伺服系统基于矢量控制，驱动鳍、翼鳍转动，产生所需的扶正力矩，实现对船舶减横摇控制。
[0012]步骤2中，采用基于模糊树的自适应控制器修正反馈线性化控制器的输出，通过如下方法实现，
[0013]步骤2.1:建立船舶横向运动控制系统的数学模型，并给出其非线性系统状态空间表示；
[0014]
【权利要求】
1.一种船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，其特征在于: 步骤1:横摇检测装置检测横摇角，并通过状态估计器估计系统的横摇角及横摇角速度，与给定值作差送入反馈线性化控制器； 步骤2:采用基于模糊树的自适应控制器修正反馈线性化控制器的输出，得到所需的横摇扶正力矩；修正后的输出信号即减横摇控制器的输出信号u送入鳍角、翼鳍角智能优化器，前述的减横摇控制器由反馈线性化控制器、基于模糊树的自适应控制器和误差观测器组成； 步骤3:鳍角、翼鳍角智能优化器进行角度分配，给出实时的鳍角、翼鳍角指令送入鳍、翼鳍电伺服系统； 步骤4:鳍、翼鳍电伺服系统基于矢量控制，驱动鳍、翼鳍转动，产生所需的扶正力矩，实现对船舶减横摇控制。
2.根据权利要求1所述的船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，其特征在于:步骤2中，采用基于模糊树的自适应控制器修正反馈线性化控制器的输出，通过如下方法实现， 步骤2.1:建立船舶横向运动控制系统的数学模型，并给出其非线性系统状态空间表示；
3.根据权利要求2所述的船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，其特征在于:步骤4中，鳍、翼鳍电伺服系统采用永磁同步电机，鳍、翼鳍电伺服系统的控制部分包括位置控制器、速度控制器和电流控制器，鳍、翼鳍电伺服系统通过如下方法实现矢量控制， 建立dq坐标系下数学模型，经Clarke变换和Park变换，将永磁同步电机的定子三相电流转换成两个不存在耦合关系的直流量id和iq，使id保持为零、iq实时跟踪速度控制器的控制量。
4.根据权利要求3所述的船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，其特征在于:步骤4中，采用鳍、翼鳍伺服系统位置传感器测量得到的位置信号确定电流的方向，对鳍、翼鳍伺服系统功率开关死区效应进行补偿，当0〈Ψ〈3?时，ia>0，A相补偿正向电压；反之补偿反向电压； 当2π/3〈Ψ〈5π/3时，ib>0，B相补偿正向电压；反之补偿反向电压； 当-2 π/3〈 Ψ〈 π/3时，相补偿正向电压；反之补偿反向电压； 式中，Ψ为永磁同步电机磁极的位置角度； 补偿电压的幅值采用如下公式进行计算:
5.根据权利要求2至4任何一项所述的船舶电伺服鳍、翼鳍减横摇智能矢量控制方法，其特征在于:步骤2.3中，通过如下方法建立基于模糊树的自适应控制器， 步骤2.3.1:给出L个终节点的模糊树模型的输入输出关系，根据横摇运动控制系统状态空间形式，采用模糊树模型) = -->,,⑴，#,u-|0,2) = 0/A2(x)逼近步骤2.1中的非线性函数fi(x)和gi(X); 步骤2.3.2:根据船舶横摇系统要求及误差方程，选择参数k1、Mn、Mi2及F ;选择一个正定阵Qi，求解Lyapunov方程A +PiAci = -β得到矩阵Pi ； 步骤2.3.3:根据获得的样本数据，利用模糊树模型离线辨识横摇控制系统中的非线性函数A (x)和gi (x)，建立初始基本控制器及监督控制器； 步骤2.3.4:确定参数Mn、Mi2、Yil及Yi2 ;根据实际系统情况假设Mil≥I I Θ ^ (O) I |2及Mi2≥I I Θ i2(0) I |2，利用自适应调节律在线调节模糊树模型的参数； 其中，h使4,得全部特征值都有负实部，Y n>0, y i2>0为学习率，Mn、Mi2为模糊树模型寻优空间的界，F为设计参数，规定了实际控制系统内部状态的界。
【文档编号】B63B39/06GK103895832SQ201410098422
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】宋颖慧, 刘胜, 李冰, 张兰勇, 王宇超 申请人:哈尔滨工程大学