[发明专利]一种船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和控制装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于船舶控制领域，特别涉及一种船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和控制装置及其控制方法。 

技术背景

船舶航行时横摇阻尼很小，在风浪中会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，严重的横摇运动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；横摇还会使船员生活感到不适，降低船员的工作效率；对于军舰来说，横摇还会影响到武器装备的使用，使舰载机不能安全起飞降落，武器命中率降低等等。目前，减摇鳍是最为有效的主动减横摇装置。 

早期的减摇鳍系统研究，追求鳍面结构简单，因而大多采用整体鳍。但对于船舶上的整体鳍，因鳍展弦比较小，鳍角受升力失速和空泡限制，而且对于加装两对鳍的船舶，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。为了提高升力和抑制空泡，提出了鳍/翼鳍独立翼面任意转角比矢量控制的设想,通过鳍角/翼鳍角智能决策器优化，要求主鳍转角与翼鳍转角按照给定方式下的最优指标转动,充分发挥鳍的作用,以期达到提高减摇效果,降低能量消耗的目的，进而提高船舶的减摇性能。 

此外，减摇鳍系统在部分工况下，执行机构经常处于幅度饱和、速率饱和状态，偶尔还会导致船舶不减摇反而增摇，这对于船舶是极其危险的；它的存在严重影响了系统的性能，给系统控制器的设计带来了巨大的挑战。单纯的增大鳍伺服系统功率和鳍面积显然是不切实际，也并非明智之举。因此引入抗饱和补偿控制方法，解决减摇鳍执行机构饱和这一类普遍存在于各类系统中的不光滑非线性问题，该问题也是控制系统设计亟需解决的问题之一。 

现有的对船舶鳍/翼鳍减横摇控制时，多回避饱和现象采用降低控制器增益的方法。即限定在线性工作区中，未充分利用控制容量使得系统响应变慢和效率降低，导致系统横摇控制性能下降。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，但并未考虑执行器饱和的抗饱和控制，同时关于鳍角翼鳍角分配方法也有待于改进。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种船舶执行机构存在饱和时，能够改善船舶横摇减摇效果的船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和控制装置，本发明的目的还在于提供一种船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和控制装置的控制方法。 

本发明的目的是这样实现的： 

一种船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和控制装置，包括横摇检测装置、无约束控制器、鳍角翼鳍角智能决策器、抗饱和补偿器和抗饱和控制器： 

横摇检测装置的船舶横摇角信号输出端与无约束控制器的船舶横摇角信号输入端相连，无约束控制器的横摇扶正力矩信号输出端与鳍角翼鳍角智能决策器的横摇扶正力矩信号输入端相连，所述鳍角翼鳍角智能决策器的鳍角/翼鳍角指令信号输出端与抗饱和控制器的鳍角/翼鳍角指令信号输入端相连，所述抗饱和控制器的船舶横摇角信号输出端与翼鳍伺服系统的翼鳍角指令信号输入端、抗饱和补偿器的输入端相连，抗饱和补偿器的输出端与船舶横摇角信号输入端相连，鳍伺服系统和翼鳍伺服系统分别驱动鳍、翼鳍。 

一种船舶鳍/翼鳍减横摇抗饱和控制装置的控制方法： 

步骤一、横摇检测装置检测到船舶横摇角信号； 

步骤二、将所述的船舶横摇角信号通过无约束控制器进行处理，得到船舶减摇所需的横摇扶正力矩信号； 

步骤三、将步骤二中所述的横摇扶正力矩信号通过鳍角翼鳍角智能决策器计算，得到横摇扶正力矩所需的鳍角指令信号和翼鳍角指令信号； 

步骤四、抗饱和控制器判断步骤三所述的鳍角指令信号和翼鳍角指令信号是否会导致鳍/翼鳍执行机构发生幅度饱和或速度饱和，是，则执行步骤五；否，则执行步骤六； 

步骤五、将步骤三中所述鳍角指令信号和翼鳍角指令信号通过抗饱和补偿器进行修正处理，得到补偿后的船舶横摇角信号，并将补偿后的船舶横摇角信号作为新的船舶横摇角信号，返回步骤二； 

步骤六、将步骤四中所述鳍角指令信号和翼鳍角指令信号分别发送给鳍伺服系统和翼鳍伺服系统，鳍伺服系统和翼鳍伺服系统分别驱动鳍、翼鳍，实现对船舶横摇的控制。 

本发明的有益效果在于： 

（1）充分利用鳍/翼鳍的多控制面优势，提高了横摇扶正能力且减小了系统能耗，提高了船舶减摇控制性能。 

（2）应用改进的模拟退火粒子群优化算法优化鳍角/翼鳍角，结合粒子群的并行快速性优点和模拟退火算法的全局最优性，通过改进参数提高了算法精度，缩短了优化时间。