【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超大型船舶自动化减纵摇装备应用，具体而言，尤其涉及一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法。
技术介绍
1、随着全球贸易的不断发展和海洋资源的广泛利用，船舶行业在近几十年间取得了显著的进步和发展。当船舶在海上航行时，容易受到外界干扰而产生纵摇运动。因此，研究船舶的减纵摇控制问题成为亟需攻克的难题。
2、利用闭环增益成型算法设计的减纵摇控制器具有灵活性和直观性，故而被人们广泛应用。该技术直接使用具有工程意义的四个参数构造出闭环传递系统传递函数，进而反推出鲁棒控制器。以下是对该技术的介绍，以美国的pch水翼艇为研究对象。
3、首先取状态向量为：
4、
5、为更加直观地观测减摇效果，设h为水翼艇的升沉位移，θ为水翼艇的纵摇角。则水翼艇的纵向运动状态空间型数学模型为：
6、
7、式中，控制向量ut＝[f m]，分别为控制船舶升沉和纵摇外加的力和力矩。利用水翼艇的各项参数可得船舶模型中各系数矩阵为：
8、
9、
10、若输出为h和θ，则传递函数型数学模型g为：
11、
12、进而利用这四个参数构造出闭环传递函数，再反推出鲁棒控制器k：
13、
14、现如今对船舶减纵摇的研究主要集中在商船以及水翼艇等。由于超大型船舶存在大惯性、长时滞和强耦合等特点，其控制器设计难度也随之增长。且超大型船舶在恶劣海况下航行时，由于外界干扰的影响，导致船舶更加不稳定，因此针对超大型船
15、基于以上分析，传统减纵摇控制技术存在以下两点缺陷：
16、1)针对超大型船舶大惯性、长时滞的特点，现有算法已不够切合。超大型船舶的质量和惯性会导致系统在响应控制指令时存在较长的延迟，同时算法生成的控制指令无法准确匹配超大型船舶的规模和动态特性，从而导致控制效果不佳；
17、2)现有算法在恶劣海况下存在输出能量过大的问题，导致船舶减纵摇效果不佳，进而影响整个控制系统的稳定性和安全性。
技术实现思路
1、根据上述提出超大型船舶在恶劣海况下航行时，其减纵摇控制器设计难度系数大以及减纵摇效果不佳的技术问题，提供一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法。本专利技术是基于一阶闭环增益成型算法设计而成，降低了控制器设计的难度；并引用双重非线性正反馈控制算法改善控制效果，保证在实现减纵摇的同时，又降低控制器的能量输出。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，包括：
4、s1、利用一阶闭环增益成型算法，设计简捷鲁棒控制器；
5、s2、引入双重非线性反馈控制算法，利用余弦和正切函数为简捷鲁棒控制器设计一个控制律，解决控制器输出能量大的问题；
6、s3、引入正反馈环节，解决控制器响应指令存在延迟的问题。
7、进一步地，步骤s1，具体包括：
8、s11、设定u代表控制器输出信号，y代表系统的输出值；
9、s12、由于船舶在实际航行时会在波浪的作用下产生纵摇和升沉运动，所以使用白噪音来模拟波浪干扰输入r；
10、s13、设计控制器k时，设控制器的对角线元素为0，将控制器简化如下：
11、
12、其中，c表示控制器的设计参数；d表示控制器的设计参数；a、b为成形后广义被控对象单位阶跃信号激励后的稳态输出值g′；t11、t22均表示控制器参数；s表示拉普拉斯算子；
13、s14、以简捷的积分环节与不稳定系统成形后的稳态输出值g′构成闭环传递函数，如下：
14、
15、其中，k表示控制器；p表示广义被控对象；
16、s15、将闭环传递函数进行简化，得到：
17、
18、上式为一阶闭环增益成型算法的数学表达式。
19、进一步地，步骤s2，具体包括：
20、s21、利用余弦和正切函数为简捷鲁棒控制器设计一个控制律u，如下：
21、u＝f(e)·g(e)
22、其中，g(e)表示关于反馈误差e的非线性函数，保证控制器在输出较少能量的同时，又能获得稍优的控制结果；f(e)表示原控制系统中的控制律；
23、s22、引入双重非线性函数，如下：
24、g(e)＝f(u)1·f(u′)2＝cos(a·e)·tan(b·e′)
25、上式中，a＝0.1，b＝0.25。
26、进一步地，步骤s3，具体包括：
27、s31、将负反馈闭环系统的传递函数表示为：
28、k′g/(1+k′g)
29、其中，k′表示加入非线性反馈后的控制算法；
30、s32、将正反馈闭环系统的传递函数表示为：
31、
32、其中，正反馈是将回路中反馈信号由负反馈变为正反馈，对原负反馈中控制器乘-1变成正反馈的控制器，即-k′，最后给系统整体性乘-1。
33、较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
34、1、本专利技术提供的一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，设计了一种适用于超大型船舶在恶劣海况下的减纵摇控制器。该控制器结合了余弦和正切函数双重非线性正反馈控制算法与简化后的闭环增益成型算法，在降低控制器设计难度的同时，有效解决了因超大型船舶存在长时滞、大惯性特点引起的控制器响应延迟的问题，进一步减少了船舶纵摇的幅值和频率。
35、2、本专利技术提供的一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，考虑控制器会受恶劣海况外界干扰，利用双重非线性正反馈代替原有误差反馈，保证控制器在输出能量少的前提，达到预期的控制效果，使其能更好地应用于实际工程当中。为国内外超大型船舶在恶劣海况下航行提供技术支撑，同时对超大型船舶的发展起到推进作用。
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1.一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，其特征在于，步骤S1，具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，其特征在于，步骤S2，具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，其特征在于，步骤S3，具体包括：
【技术特征摘要】
1.一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种考虑恶劣海况的超大型船舶减纵摇控制器的设计方法，其特征在于，步骤s1，具体包括：
3.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋纯羽，隋江华，乔琦，郭特尔，李胤甫，
申请(专利权)人：大连海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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