CN101881970B - 船舶双舵同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种船舶双舵同步控制方法。以一个舵的舵角为基准，检测两个舵的舵角的实际偏差，将实际偏差信号作为舵角同步补偿网络的输入信号，经补偿网络处理后，得到对另一个舵的舵角的补偿指令信号，并将指补偿令信号输入另一个舵的伺服系统，形成闭环反馈控制。本发明的方法适用于具有双舵的船舶的航行与姿态控制。当两舵角出现偏差时，补偿网络能够及时修正舵角偏差，提高双舵同步的精度和灵敏度。

Description

船舶双舵同步控制方法

技术领域

本发明涉及船舶航行与姿态控制技术，特别涉及一种舵控制方法。

背景技术

在船舶姿态控制中，航向控制是最基本的，航向控制主要是靠控制操舵运动来实现的。对于具有双舵的船舶而言，当船舶直航时，为了使舵达到最佳的水动力性能，双舵之间应保持同步运动。普通双舵配置船舶在选用操舵装置时，通常考虑的方案是用一台推舵机构，通过连杆带动两个舵柄转动。有些特殊船型则无法采用上述方案，要求两舵同步转动又不允许有机械联系。这样，每个舵柄就得由单独的推舵机构来带动。两个舵柄的同步由电气液压控制系统来实现。通常为同步液压舱机的功率较大的泵控式舵机系统。这种同步液压舵机的控制通常有两种方案：一种是双通道操舵控制方案，即将同一舵角指令信号分别传输给两套舵伺服系统，由于两套舵伺服系统在物理方面总是存在差异的，因此两舵的实际舵角并没有达到有效的同步；另一种则是采用常规的单通道操舵控制，再加一套带有PID调节器电液伺服同步系统，后者比前者同步精度高。

经对现有的技术文献检索发现，没有发现与双舵同步控制技术有关的资料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使双舵之间具有较高的同步性的船舶双舵同步控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

所述补偿网络是一种基于变论域模糊理论的PID控制器，补偿网络的处理方法具体包括以下几个步骤：

(1)获得两个舵角的误差和误差变化率。

(2)调节两个舵角的误差和误差变化率的大小。

(3)调节量化因子K_e、K_ec和比例因子K_u的大小。

(4)获得常规PID调节器三个参数的调整量。

(5)获得合适的舵角补偿控制指令信号。

所述的步骤(1)中，包括两个舵角误差的计算方法，两个舵角的误差变化率的计算方法。

所述的步骤(1)中两个舵角误差的计算方法为

e＝δ_c1-δ_c2                (1)

式中，δ_c1为C1舵的舵角检测值，δ_c2为C2舵的舵角检测值，e为两个舵的舵角误差。

所述的步骤(1)中两个舵角的误差变化率的计算方法为

$\mathrm{ec}=\stackrel{\·}{e}---\left(2\right)$

式中，e为两个舵的舵角误差，ec为两个舵的舵角误差变化率。

所述的步骤(2)中两个舵角的误差和误差变化率调整方法为

e1＝e/K_e                    (3)

ec1＝ec/K_ec                 (4)

式中，e1和ec1分别为调整后的舵角误差和误差变化率，K_e和K_ec为量化因子。

所述的步骤(3)中，量化因子K_e、K_ec和比例因子K_u的大小是通过一个子模糊控制器来自动调整修正的，其修正规则为

表1 K_e、K_ec的修正规则

表2 K_u的修正规则

所述的步骤(4)中，常规PID调节器三个参数K_P、K_I、K_D的调整量是通过PID参数模糊控制器获取的，其模糊规则为

表3 K_P模糊控制规则表

表4 K_I模糊控制规则表

表5 K_D模糊控制规则表

所述的步骤(5)中，将获取的常规PID参数调节器三个参数的变化量送入到常规PID参数调节器中，修改常规PID参数调节器的三个参数，利用修改后的PID调节器得到合适的舵角补偿控制信号。

本发明的优点在于：

(1)采用智能伺服同步技术代替传统的机械同步技术，满足了某些特殊船型对双舵同步的需求，为双舵同步的实现提供了一种普遍适用的新途径；

(2)采用舵角同步补偿网络，使双舵保持实际舵角的同步，从而改善自动舵系统的水动力性能和船舶的操纵性能；

(3)通过基于变论域模糊PID控制器的优化设计，舵角补偿网络可通过子模糊控制器来实时调整其量化、比例因子来提高控制精度，通过论域变化来实现模糊推理的更优控制，有效提高伺服精度，降低同步误差，具有较强的鲁棒性。

附图说明

图1为双舵同步控制系统原理结构图；

图2为变论域模糊PID舵角补偿网络控制器结构图；

图3(a)-(c)为遭遇角30°，不同有义波高时双舵同步控制系统仿真结果，其中图3(a)为有义波高2m时、图3(b)为有义波高4m时、图3(c)为有义波高6m时；

图4(a)-(c)遭遇角90°，不同有义波高时双舵同步控制系统仿真结果，其中图4(a)为有义波高2m时、图4(b)为有义波高4m时、图4(c)为有义波高6m时；

图5(a)-(c)遭遇角150°，不同有义波高时双舵同步控制系统仿真结果，其中图5(a)为有义波高2m时、图5(b)为有义波高4m时、图5(c)为有义波高6m时。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

如图1所示，本发明采用舵角检测装置进行实时舵角反馈，基于变论域自适应模糊PID舵角偏差补偿闭环控制方案，采用主/从同步控制策略，实现双舵同步运动。指令舵角信号分别送入C1舵伺服系统和C2舵伺服系统，通过C1舵角检测装置和C2舵角检测装置检测C1舵角和C2舵角，视C1舵为主舵，C2舵为从舵，将C2舵角与C1舵角的偏差作为输入信号送入基于变论域自适应模糊PID舵角同步补偿网络，然后将补偿网络的输出信号送入C2舵伺服系统，实现对C2舵角的补偿控制，达到消除C1舵角和C2舵角的实际误差，保持机械舵角同步的目的。

如图2所示，舵角同步补偿网络采用基于变论域模糊理论的PID控制器，补偿网络处理方法具体实施方式如下：

(1)获得两个舵角的误差和误差变化率。

对检测的两个舵的实际舵角进行比较，获取两个舵角的误差，同时对两舵角误差求 微分，获取两个舵角的误差变化率。

两个舵角误差的计算方法为

e＝δ_c1-δ_c2                             (1)

式中，δ_c1为C1舵的舵角检测值，δ_c2为C2舵的舵角检测值，e为两个舵的舵角误差。

两个舵角的误差变化率的计算方法为

$\mathrm{ec}=\stackrel{\·}{e}---\left(2\right)$

式中，e为两个舵的舵角误差，ec为两个舵的舵角误差变化率。

(2)调节两个舵角的误差和误差变化率的大小。

两个舵角的误差送入到常规PID调节器中，同时两个舵角的误差和误差变化率经过量化因子的调节送入PID参数模糊控制器和论域调整器中。

两个舵角的误差和误差变化率的调整方法为

e1＝e/K_e                                 (3)

ec1＝ec/K_ec                              (4)

式中，e1和ec1分别为调整后的舵角误差和误差变化率，K_e和K_ec为量化因子。

(3)调节量化因子K_e、K_ec和比例因子K_u的大小。

在模糊控制中，量化、比例因子的大小变化实际上反映了相应论域的伸缩变化，且对控制效果有明显的作用。鉴于量化、比例因子对论域的伸缩作用，以及对控制的影响，采用了在不同阶段分别采用不同的量化因子和比例因子来调整不同阶段的控制效果，即在基本模糊PID控制器基础上单独建立另一个子模糊控制器来修正量化因子和比例因子参数。本发明采用三角型隶属函数：

$\mathrm{\&mu;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{x-a}{b-a}& a<x<b\\ \frac{x-c}{b-c}& b<x<c\end{array}\right.---\left(5\right)$

在控制器中，设定输入量e和ec各自论域的伸缩只与自身变化有关，则输入论域的量化因子K_e和K_ec的模糊规则就易于确定。表1是K_e、K_ec的整定规则，设模糊划分为B、M、S和ZE。

表1 K_e、K_ec的修正规则

K_u的取值根据e和ec当前取值所反映的系统响应状态来确定，从而决定输出论域该进行多大程度的扩大或者缩小。表2为K_u的修正规则，其模糊划分为VB、MB、B、SB、S、VS和ZE，横向为e相应的语言变量，纵向为ec相应的语言变量。

表2 K_u的修正规则

(4)获得常规PID调节器三个参数的调整量。

PID参数模糊控制器根据输入的两个舵角误差和误差变化率，根据模糊控制原理来获取常规PID参数调节器三个参数k_P、k_I、k_D的变化量，经过比例因子的调节并输出。PID参数模糊控制器的模糊规则为

表3 k_P模糊控制规则表

表4 k_I模糊控制规则表

表5 k_D模糊控制规则表

对K_P、K_I、K_D的调节规律，形成控制规则，归纳如下相应的参数调节规则，其模糊规则视图如下所示：

以上规则写成启发式语句的形式如下：

(1)If(E is NB)and(EC is NB)then(ΔKP is PB)(ΔKI is NB)(ΔKD is PS)

(2)If(E is NB)and(EC is NM)then(ΔKP is PB)(ΔKI is NB)(ΔKD is NS)

(3)If(E is NB)and(EC is NS)then(ΔKP is PM)(ΔKI is NM)(ΔKD is NB)

. . .               . . .

. . .               . . .

. . .               . . .

(49)If(E is PB)and(EC is PB)then(ΔKP is NB)(ΔKI is PB)(ΔKD is PB)

通过49个模糊关系R_i(i＝1，2，3…，49)的“并”运算，可获得调整参数控制规则的总的模糊关系R，即

$R=R_1\&cup;R_2...\&cup;R_{48}\&cup;R_{49}=\underset{i=1}{\overset{49}{\&cup;}}{R}_i---\left(6\right)$

采用mom(平均最大隶属度法)进行解模糊判决。由E，EC及K_P，K_I，K_D的Fuzzy子集的隶属度，再根据各Fuzzy子集的隶属度赋值表和各参数的Fuzzy调整规则模型，运用Fuzzy控制算法的核心，我们将其存入程序存储器中共查询。

(5)获得合适的舵角补偿控制指令信号。

将获取的常规PID参数调节器三个参数的变化量送入到常规PID参数调节器中，修改常规PID参数调节器的三个参数，利用修改后的PID调节器得到合适的舵角补偿控制指令信号。

定义K_P，K_I，K_D参数调整算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_P=K_{\mathrm{PO}}+\mathrm{\&Delta;}{K}_P\\ K_I=K_{\mathrm{IO}}+\mathrm{\&Delta;}{K}_I\\ K_D=K_{\mathrm{DO}}+\mathrm{\&Delta;}{K}_D\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中，K_P，K_I，K_D是PID控制器的参数，K_PO，K_IO，K_DO是K_P，K_I，K_D的初始参数，它们通过常规方法得到。在线运行过程中，通过微机测控系统不断的检测系统的不断的检测系统的输出响应值，并实时的计算出偏差和偏差变化率，通过查询Fuzzy调整矩阵即可得到K_P，K_I，K_D三个参数的调整量ΔK_P，ΔK_I，ΔK_D，完成对控制器参数的调整，修改后的PID调节器根据输入的舵角误差信号，进行比例、积分、微分运算，得到合适的舵角补偿控制指令信号，实现舵角同步控制。

为了验证本发明所设计的船舶变论域自适应模糊舵角补偿双舵同步控制系统的控制效果，分别对不同海情和浪向角下的情况进行了仿真。仿真结果如图3、4、5所示。仿真海情分别为有义波高2m、4m和6m，图3-图5给出了遭遇角分别为30°、60°、90°下的仿真曲线，表6-表8给出了遭遇角分别为30°、60°、90°时的仿真结果统计值，E(·)表示均值，STD(·)表示标准差，Δδ代表舵角跟踪误差，δ_c1代表C1舵角，δ_c2代表C2舵角，量纲均为度。

表6 双舵同步控制系统仿真结果统计值(有义波高2)

表7 双舵同步控制系统仿真结果统计值(有义波高4)

表8 双舵同步控制系统仿真结果统计值(有义波高6)

从仿真结果可以看出：

(1)对于船舶变论域自适应模糊舵角补偿双舵同步控制系统而言，在有义波高为2m的情况下，控制器的舵角同步误差的均方差值都在0.40度范围内；有义波高为4m的情况下，控制器的舵角同步误差的均方差值都在0.62度范围内；有义波高为6m的情况下，控制器的舵角同步误差的均方差值都在0.73度范围内。说明船舶变论域自适应模糊舵角补偿双舵同步控制系统可以达到控制精度要求，具有很好的鲁棒性；

(2)不同情况下，各种干扰最明显的影响是加剧了舵角的震荡，基于变论域模糊PID控制器的实现，当两舵角出现偏差时，补偿网络能够及时修正舵角偏差，提高了双舵同步的精度和灵敏度，利用模糊控制器自动修正量化因子和比例因子，有效改善了模糊控制器的动态性能和稳态性能。

Claims (7)

1.一种船舶双舵同步控制方法，其特征是：以一个舵的舵角为基准，检测两个舵的舵角的实际偏差，将实际偏差信号作为舵角同步补偿网络的输入信号，经补偿网络处理后，得到对另一个舵的舵角的补偿指令信号，并将补偿指令信号输入另一个舵的伺服系统，形成闭环反馈控制。

2.根据权利要求1所述的船舶双舵同步控制方法，其特征是：所述舵角同步补偿网络的处理方法具体包括以下几个步骤：

(1)获得两个舵角的误差和误差变化率；

(2)调节两个舵角的误差和误差变化率的大小；

(3)调节量化因子K_e、K_ec和比例因子K_u的大小；量化因子K_e、K_ec，比例因子K_u的大小变化反映相应论域的伸缩变化；

(4)获得常规PID调节器三个参数的调整量；

(5)获得合适的舵角补偿指令信号。

3.根据权利要求2所述的船舶双舵同步控制方法，其特征是：所述获得两个舵角的误差和误差变化率的方法包括两个舵角误差的计算方法和两个舵角的误差变化率的计算方法；

所述两个舵角误差的计算方法为

e＝δ_c1-δ_c2

其中，δ_c1为C1舵的舵角检测值，δ_c2为C2舵的舵角检测值，e为两个舵的舵角误差；

所述两个舵角的误差变化率的计算方法为

$\mathrm{ec}=\stackrel{\&CenterDot;}{e}$

其中，e为两个舵的舵角误差，ec为两个舵的舵角误差变化率。

4.根据权利要求3所述的船舶双舵同步控制方法，其特征是：所述调节两个舵角的误差和误差变化率的大小的方法为

e1＝e/K_e

ec1＝ec/K_ec

其中，e1和ec1分别为调整后的舵角误差和误差变化率，K_e和K_ec为量化因子。

5.根据权利要求4所述的船舶双舵同步控制方法，其特征是：所述调节量化因子K_e、K_ec和比例因子K_u的大小中的量化因子K_e、K_ec和比例因子K_u的大小是通过一个子模糊控制器来自动调整修正的。

6.根据权利要求5所述的船舶双舵同步控制方法，其特征是：所述获得常规PID调节器三个参数的调整量中常规PID调节器三个参数K_P、K_I、K_D的调整量是通过PID参数模糊控制器获取的。

7.根据权利要求6所述的船舶双舵同步控制方法，其特征是：所述获得合适的舵角补偿控制指令信号中，将获取的常规PID参数调节器三个参数的变化量送入到常规PID参数调节器中，修改常规PID参数调节器的三个参数，利用修改后的PID调节器得到合适的舵角补偿控制信号。

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