一种基于横摇预报的减摇鳍低航速减摇控制方法

一种基于横摇预报的减摇鳍低航速减摇控制方法

本发明提供一种基于横摇预报的减摇鳍低航速减摇控制方法，统计前4个半周期的最大横摇角φm(k‑j)，角加速度和半周期值T(k‑j)，(j＝0,1,2,3)，预测下半个周期的横摇幅值和半周期根据下半个周期的横摇幅值φm(k+1)和半周期T(k+1)，重构下半个周期的横摇时间序列，并根据横摇时间序列估计海浪扰动力矩采用反演控制计算鳍上产生的控制力矩并最小使半个周期内是控制力矩在幅值和相位上尽量接近扰动力矩，按照伺服系统的更新周期，输出第4部计算的鳍角序列。本发明便于工程应用，同时保证了预测精度，将鳍角运动参数化为半周期内的运动时刻和幅值，方便于非线性优化算法计算鳍角控制序列。

专利类型：发明专利

专利申请号：CN112061328B

专利申请（专利权）人：哈尔滨工程大学
权利人地址：黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室

专利发明（设计）人：宋吉广,梁利华,张松涛,吉明,史洪宇,王经甫

主权利要求:一种基于横摇预报的减摇鳍低航速减摇控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种减摇鳍低航速减摇控制方法，尤其涉及一种基于横摇预报的减摇鳍低航速减摇控制方法，属于减摇鳍减小船舶横摇技术领域。
背景技术
[0002] 海浪、海风和海流等环境扰动会对船舶造成各种摇荡运动，其中横摇幅度最大。恶劣的海况下剧烈的横摇会造成货物的损失，严重降低设备和人员的效能。为此，科技人员设计了各种减摇装置用以减小船舶在风浪中的横摇运动。减摇鳍是目前最有效的船舶减摇装置，但传统减摇鳍与固定翼飞机类似，依靠升力原理和相对流速来产生稳定力矩，在零/低航速下提供的稳定力矩有限。
[0003] 为了提高减摇鳍在零/低航速下的减摇能力，可以利用阻力原理来提供稳定力矩，类似鱼的快速启动。在零航速下，阻力原理起作用，在中高航速下，升力原理起作用。而在低航速下，阻力原理和升力原理共同起作用提供稳定力矩。这就导致在低航速下，总的稳定力矩对鳍角的相位随着航速变化较大。如果不能正确的处理这种相位关系，会严重的降低减摇鳍在低航速下的减摇效果，甚至产生增摇。鉴于此，设计基于最佳相位匹配的减摇鳍低航速控制策略，充分利用阻力机理和升力机理产生的稳定力矩。而要实现相位匹配的目的，对船舶下半个周期的横摇预显得尤为重要。
[0004] 目前，关于减摇鳍在低航速下的减摇应用研究的较少。大部分的研究集中于中高航速的常规减摇鳍，还有一部分集中于零航速减摇鳍。
[0005] 在国外，MaritimeResearchInstituteintheNetherlands(MARIN)从1998年开始进行减摇鳍在零航速减摇的研究。2006年“MYAMEVI”号游艇的海试，证明了减摇鳍在零航速下的减摇效果。到目前，还未见减摇鳍在低航速下减摇的论述，也未见低航速下稳定力矩对鳍角的相位随航速变化的研究。
[0006] 在国内，金鸿章等在《零航速减摇鳍升力模型研究》中首先探讨了减摇鳍在零航速下的升力模型，王龙金等在《零/低航速减摇鳍升力模型及系统控制策略研究》建立了减摇鳍在低航速下的升力模型。宋吉广等在《零航速减摇鳍自适应主从控制器设计》中通过主从控制器来分离减摇鳍系统的输出和输入非线性。梁利华等在《基于相位匹配的零航速减摇鳍控制策略研究》分别讨论了减摇鳍在零航速与中高航速下的相位关系。
[0007] 对船舶姿态或横摇的预报，国内外有较多研究，但大都是预报横摇的时间序列，导致计算量大，而且对半周期预报的精度偏低。如NovriSuhermia在《RollmotionpredictionusingahybriddeeplearningandARIMAmodel》中采用自回归和移动平均(ARIMA)和人工神经网络(ANN)的混合模型进行浮式生产装置的横摇预报。Xian‑RuiHou在《NonparametricidentificationofnonlinearshiprollmotionbyusingthemotionresponseinirregularwavesXian》中通过随机衰减技术(RDT)和支持向量机(SVR)辨识非线性阻尼和恢复力矩，预测船舶在随机波中的横摇。Bai‑GangHuang在《Onlinepredictionofshiprollmotionbasedonacoarseandfinetuningfixedgridwaveletnetwork》中采用小波网络在线预测船舶在规则波中的横摇。严传续在《实船运动与包络的极短期预报分析》中通过自适应Volterra级数模型进行船舶升沉、纵摇与横摇预报。余倩在《一种基于实时预测算法的船舶姿态控制器设计》中基于Kalman滤波设计了船舶的横摇预测方法。杨震在《一种分解策略的船舶横摇运动姿态在线预报方法》中提出了一种分解域的船舶姿态预报策略。
发明内容
[0008] 本发明的目的是为了充分利用阻力机理和升力机理产生的稳定力矩，达到最佳的减摇效果而提供一种于横摇预报的减摇鳍低航速减摇控制方法。
[0009] 本发明的目的是这样实现的：
[0010] 一种基于横摇预报的减摇鳍低航速减摇控制方法，包括如下步骤：
[0011] 步骤一：采集安装于减摇鳍控制箱中IMU(惯性测量单元)发送的横摇角φ，横摇角速度 和横摇角加速度 统计过去3个半周期和当前周期的最大横摇角φm(k‑j)，角加速度和半周期值T(k‑j)，共12个输入作为径向基神经网络(RBF)的输入,RBF的输出为预测的船舶下半个周期的的横摇幅值 和半周期 船舶以近似正弦方式进行横摇运动，根据 和半周期 重构船舶下半个周期的横摇运动序列
[0012] 步骤二：根据船舶的横摇运动方程 和重构的下半周期横摇运动序列 估计船舶所受到的扰动力矩 式中Ix和ΔIx分别为相对于通过船舶重心纵轴的惯量和附加惯量，2Nu为每单位横摇角速度引起的船舶阻尼力矩，D为船舶排水量，h为横稳心高，Mω为船舶受到的海浪扰动力矩。

[0013] 步骤三：设半周期内共i个采样点，在每一个采样点时，计算控制力矩 和扰动力矩 用之 间的差 值 ，使半 个周期内 差值绝 对值的 和最小 ，即最小 化采用遗传算法优化gf，以根据航速U和扰动力矩 求得优化的鳍在半个周期内的运动参数ti(i＝1,2,3,4),加速度 鳍角速度 减速度 和鳍角停止位置αr，根据这些参数生成鳍在半个周期内的最优运动序列

[0014] 步骤四：控制箱的鳍角输出单元在每个伺服周期，根据最优运动序列 输出指令鳍角Fc。
[0015] 步骤五：鳍伺服系统根据指令Fc，驱动机械鳍角α跟踪指令，在流体的作用下产生实际的稳定力矩Mc对抗真实的扰动力矩Mω，从而减摇船舶的横摇运动。
[0016] 本发明还包括这样一些特征：
[0017] 在阻力机制下，依靠鳍的快速拍动产生稳定力矩，在鳍机械角度受限的情况下，定义鳍的运动在半个周期内的运动由时刻序列ti(i＝1,2,3,4),加速度 鳍角速度 减速度 和鳍角停止位置αr共8个参数决定；
[0018] 从0到t1鳍停在前半个周期的停止位置；
[0019] 从t1到t2鳍保持加速度 运动，一直达到预设的鳍角速度
[0020] 从t2到t3鳍保持角速度 运动；
[0021] 从t3到t4鳍保持减速度 运动，最后停在预设位置达到预设αr；
[0022] 从t4到半周期结束，鳍保持在αr位置。
[0023] 鳍保持较大的速度，从而在零/低航速下产生足够的稳定力矩对抗海浪扰动力矩。
[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0025] (1)预测下半个周期的幅值和周期，减小了计算量，便于工程应用。同时保证了预测精度。
[0026] (2)将鳍角运动参数化为半周期内的运动时刻和幅值，方便于非线性优化算法计算鳍角控制序列。
[0027] (3)采用基于遗传算法的数值反演计算鳍角序列，实现了对输入非线性问题的解。
附图说明
[0028] 图1是鳍角运动参数示意图；
[0029] 图2是减摇鳍低航速控制策略原理框图；
[0030] 图3是预报并重构横摇序列示意图；
[0031] 图4是数值反演计算鳍角控制序列示意图(2.0kn)。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0033] 本专利预报船舶下半个横摇周期的周期值和横摇运动幅值，根据这两个幅值重构船舶下半个周期的横摇运动。基于预报和重构的横摇信息，设计基于最佳相位匹配的低航速控制策略。
[0034] 本发明的目的是这样实现的：
[0035] 1、在阻力机制下，依靠鳍的快速拍动产生稳定力矩，在鳍机械角度受限的情况下，定义鳍的运动如图1所示。鳍在半个周期内的运动由时刻序列ti(i＝1,2,3,4),加速度鳍角速度 减速度 和鳍角停止位置αr共8个参数决定。
[0036] 从0到t1鳍停在前半个周期的停止位置；
[0037] 从t1到t2鳍保持加速度 运动，一直达到预设的鳍角速度
[0038] 从t2到t3鳍保持角速度 运动；
[0039] 从t3到t4鳍保持减速度 运动，最后停在预设位置达到预设αr；
[0040] 从t4到半周期结束，鳍保持在αr位置。
[0041] 通过(1)到(5),鳍可以保持较大的速度，从而在零/低航速下产生足够的稳定力矩对抗海浪扰动力矩。
[0042] 2、统计前4个半周期的最大横摇角φm(k‑j)，角加速度 和半周期值T(k‑j)，(j＝0,1,2,3)。据此，预测下半个周期的横摇幅值 和半周期

[0043] 3、根据下半个周期的横摇幅值φm(k+1)和半周期T(k+1)。重构下半个周期的横摇时间序列。并根据横摇时间序列估计海浪扰动力矩
[0044] 4、采用反演控制计算鳍上产生的控制力矩 并最小即，使半个周期内是控制力矩在幅值和相位上尽量接近扰动力矩。

[0045] 5、按照伺服系统的更新周期，输出第4部计算的鳍角序列。
[0046] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0047] 步骤1：如图2所示，采集安装于减摇鳍控制箱中IMU(惯性测量单元)发送的横摇角φ，横摇角速度 和横摇角加速度 统计过去3个半周期和当前周期的最大横摇角φm(k‑j)，角加速度 和半周期值T(k‑j)，共12个输入作为径向基神经网络(RBF)的输入,RBF的输出为预测的船舶下半个周期的的横摇幅值 和半周期 并认为船舶以近似正弦方式进行横摇运动，根据 和半周期 就可以重构船舶下半个周期的横摇运动序列 如图3所示。
[0048] 步骤2：根据船舶的横摇运动方程 (式中Ix和ΔIx分别为相对于通过船舶重心纵轴的惯量和附加惯量，2Nu为每单位横摇角速度引起的船舶阻尼力矩，D为船舶排水量，h为横稳心高，Mω为船舶受到的海浪扰动力矩。)和重构的下半周期横摇运动序列 估计船舶所受到的扰动力矩

[0049] 步骤3：在每一个采样点(设半周期内共i个采样点)时，计算控制力矩 和扰动力矩 用之间的差值 ，使半个周期内 差值绝对值的和最小。即，最小化为了克服稳定力矩相位随航速变换和低航速下鳍角到升力的非线
性问题。采用遗传算法优化gf。以根据航速U和扰动力矩 求得优化的鳍在半个周期内的运动参数ti(i＝1,2,3,4),加速度 鳍角速度 减速度 和鳍角停止位置αr。如图4所示，在2.0kn时，扰动力矩、鳍角和稳定力矩之间的关系，为了清楚的对比扰动力矩和稳定力矩的幅值和相位关系，图中稳定力矩为负值。并根据这些参数生成鳍在半个周期内的最优运动序列

[0050] 步骤4：由于鳍伺服系统仅仅是根据控制箱的指令进行跟踪，因此控制箱的鳍角输出单元在每个伺服周期，根据最优运动序列 输出指令鳍角Fc。
[0051] 步骤5：鳍伺服系统根据指令Fc，驱动机械鳍角α跟踪指令，在流体的作用下产生实际的稳定力矩Mc对抗真实的扰动力矩Mω。
[0052] 基于以上步骤，鳍在低航速下可以组合利用阻力原理和升力原理，产生足够的稳定力矩抵抗海浪的扰动力矩，减摇船舶的横摇运动。

专利地区：黑龙江

专利申请日期：2020-09-16

专利公开日期：2021-10-19

专利公告号：CN202010973647.8