CN107247413A - 一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法。该方法建立引入附加遭遇频率的随机海浪模型，将随机海浪作为系统输入，使用ANSYS平台分析获得三体船水动力系数，根据水动力系数建立高速三体船纵向运动数学模型，针对三体船模型设计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属度函数将输入量映射为输入论域的模糊集合，进而设计7*7三体船模糊控制规则，根据控制规则，动态控制减摇附体的迎流攻角改变量，从而控制减摇附体为三体船提供的纵向力和力矩，最大程度地抵消由海浪带来的纵向摇动，实现高速三体船纵向减摇控制。本发明降低了运动过程中的船体垂荡高度和纵摇角度，可以有效控制和改善三体船高速运行过程中的稳定性和乘客舒适度。

Description

一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法

技术领域

本发明属于高速三体船减纵摇控制领域，尤其涉及一种基于模糊控制法的高速三体船减 纵摇控制方法。

背景技术

控制器在高速船的减摇中的使用一直是三体船性能研究中的重点部分，而控制算法的设 计也一直都是控制工程中重要的课题。有别于传统控制器的设计，模糊控制不需要研究系统 的一些行为参数，而是更偏向于对操作者的经验总结，归纳。

现今模糊控制方法在船舶控制方面的应用多集中于单体船、低速船的控制，针对现在逐 渐在军事和民用上都越来越被重视的高速、细长型三体船来说，如何实现在船舶纵向运动系 统中引入适合的控制方法，进而提升高速三体船的纵向运动性能，提高乘客舒适度以及军用 三体船作战稳定度是现在国内学者们还在重点研究的问题。传统PID控制方法虽然简单，但 是其灵活性差，可靠性差，只适用于被控对象参数不变，非线性不严重的系统，在非线性控 制方面无法实现准确跟踪和控制，在高速三体船处在复杂运行环境中，无法及时根据实时情 况进行控制规则的调整和优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善在不规则海浪中高速运行的细长三体船纵向运动特性的 基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法。

本发明一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法包含以下步骤：

步骤一：模拟实际海况，在传统海浪模型基础上引入附加遭遇频率，建立随机海浪模型；

步骤二：利用随机海浪模型，使用ANSYS平台分析获得高速三体船水动力系数，根据 水动力系数建立高速三体船纵向运动数学模型，得到高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵 摇角度；

步骤三：针对纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)设 计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属函数将输入量映射为输入论域的模糊集合，设计7*7 高速三体船模糊控制规则，得到模糊控制输出迎流攻角改变量α；

步骤四：建立减摇附体T型翼和压浪板的计算模型，将迎流攻角改变量α作为减摇附体 计算模型输入，经过减摇附体T型翼和压浪板计算模型运算之后产生纵向改变力和力矩，反 馈作用在高速三体船纵向运动系统。

步骤一所述的随机海浪模型具体为：

其中，A＝8.10×10^-3g²，ε_i代表构成海浪波的相位角，是在(0，2π)区间 内的随机变量，即ε_i＝rand(0,2π)；N为样本数，V为海浪相对于静态三体船的速度即三体 船航速，H为海面上的平均潮高。

步骤二所述的高速三体船纵向运动模型建立过程具体为：

(1)将随机海浪模型作为整个程序的始端输入，模块由两个部分构成，分别为“海浪-力运 动方程”和“力-垂荡纵摇”模型；

(2)将AQWA分析得到的水动力系数作为输入，在MATLAB平台中使用“ss2tf”函数进行 实现，根据水动力系数和遭遇频率范围得到纵向运动模型，输出为高速三体船纵向运动响应 垂荡高度和纵摇角度。

步骤三所述的模糊控制方法设计具体为：

(1)模糊化：通过隶属函数将输入量映射成系统输入论域中的模糊量集合，模糊变量有输 入量垂荡高度和纵摇角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)，以及输出量减摇附体迎流攻 角改变量α，其中h代表垂荡高度，p代表纵摇角度，微分形式指其变化速度，α为迎流攻 角期望角度与实际角度的差值；

(2)规则建立：两个输入量的模糊子集设计为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，输出 量的模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，输入输出论域都为[-3,3]；

(3)模糊推理：采用三段式推理即大前提，小前提以及结论，模糊推理中，设X是输入， Y是输出，而A与B是模糊子集，则多输入--单输出推理规则如下：

大前提：if X₁＝A，and X₂＝B，then Y＝C

小前提：X₁＝A，and X₂＝B

结论：Y＝C

(4)清晰化：选择重心法(centroid)来进行变量清晰化，并将清晰值转化为实际输出值， 若重心z₀的变化范围是[z_min,z_max]，则实际的输出量变化范围为[a_min,a_max]。

步骤四所述的减摇附体T型翼和压浪板计算模型具体为：

(1)二者的输入是经过模糊控制后得到的迎流攻角改变量α；

(2)与迎流攻角改变量α对应的纵向改变力和力矩分别为：

M_t/f＝d_a·F_t/f

其中，C_L为升力系数，d_a为减摇浮体距高速三体船重心的直线距离，A为T型翼或压浪 板的投影面积(m²)，F_t、F_f和M_t、M_f分别表示T型翼和压浪板提供的升力和力矩。

本发明设计的基于模糊控制的控制方法针对目前研究热门高速三体船在海中以高速度航 行时的纵向减摇，明显地降低了运动过程中的船体垂荡高度和纵摇角度，模糊控制具有灵活 性高，可靠性高的特点，可以更好地适应复杂的实际情况并及时对控制规则进行调整和优化， 并且本发明可以有效控制和改善三体船高速运行过程中的稳定性和乘客舒适度。

附图说明

图1是本发明控制方法流程图；

图2是本发明中设计的模糊控制方法机理图；

图3是本发明实现控制方法结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行更详细说明。

本发明模糊控制对象为安装在三体船底部的减摇附体T型翼和安装在艉部的压浪板，三 体船未控制前的纵向运动响应--垂荡高度和纵摇角度作为模糊输入量，形成控制规则进行数 据处理后再对输出进行清晰化，模糊控制输出选择为三体船中体上安装的减摇附体的迎流攻 角改变量，根据控制规则，动态控制减摇附体的迎流攻角改变量α，从而控制减摇附体为三 体船纵向提供的力和力矩，最大程度地抵消由海浪带来的纵向摇动，实现高速三体船纵向减 摇控制。

一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法流程如图1所示：首先模拟实际海况， 建立引入附加遭遇频率的随机海浪模型，用时钟触发；将随机海浪模型作为系统输入，使用 ANSYS平台分析获得高速三体船水动力系数，根据水动力系数建立高速三体船纵向运动数学 模型，得到高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度；针对纵向运动响应垂荡高度和纵 摇角度的耦合值(h+p)以及其微分d(h+p)设计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属函数将输 入量映射为输入论域的模糊集合，设计7*7高速三体船模糊控制规则，得到模糊控制输出迎 流攻角改变量α；建立减摇附体T型翼和压浪板的纵向运动模型，将迎流攻角改变量α作为 输入传递给减摇附体，经过减摇附体运动模型运算之后产生纵向改变力和力矩，反馈作用在 高速三体船纵向运动系统。

(1)建立随机海浪模型：

海浪可视为由一系列波幅，波长以及初相位均不同的余弦波叠加组成，海浪瞬时波高的 表示形式为：

其中,H表示海面上的平均潮高，ζ_i为组成波海浪的波幅，k_i表示海浪波波数，θ_i则是组 成海浪波传播方向和x轴的夹角，ω_i为构成海浪波的角频率，ε_i代表构成海浪波的相位角， 可以认为是在(0,2π)区间内的随机变量，x为瞬时海浪沿x轴方向的宽度，z为瞬时海浪沿z轴方向的高度。

实验中令海平面的平均波高为H＝0，并且保持不变，可简化海浪模型为：

采用能量等分法分析如下：

单位面积波能量：

其中ρ是海水密度，g是重力加速度，ω_i～ω_i+Δω_i内组成波能量是：

定义波能谱密度S(ω)使得：

ω_i→0时，海浪单位面积能量为：

则由上式得到：

将上式代入(2)得到海浪瞬时波高为：

由能量等分法：

将上式带入(8)最终得随机海浪的模型为：

其中，A＝8.1×10^-3×g²，N为样本数，ε_i＝rand(0,2π)。

在实际船舶航行中，三体船的遭遇频率比实验中的复杂很多，所以为了更精确的模拟实 际海浪，我们人为引入遭遇频率ω_e：

遭遇周期：

其中：k为波数，V为船速，C为波速，波峰相对船速为Ce，ω为圆频率，β 为海浪来流方向和三体船航向之间的夹角，λ为海浪波长

C_e＝C-Vcosβ (15)

则得到：

迎浪时，取β＝180°

则有：

最终得到带遭遇频率的随机海浪模型如下：

海浪模块的输入为时钟，将输出作为后面模块的输入。

(2)水动力系数求解：使用ANSYS Workbench平台的AQWA软件模块进行实验，经过移动 模型调节吃水，又由于实体在AQWA中不能进行计算，所以接下来对于模型进行抽壳，得到外 表面的一层厚度设置为0的壳；再进行对于高速三体船进行切水线、构造船舶整体结构。接 着插入质心后设置回转半径：K_xx＝0.163m，K_yy＝0.807m，K_zz＝0.807m。最后设置圆频率： 实验中使用40节航速下的圆频率分别是：0.42249rad/s，0.56275rad/s，0.69203rad/s， 0.81299rad/s，0.92691rad/s，1.03491rad/s，1.18757rad/s，1.42196rad/s，1.63671rad/s。 在仿真得到的文件夹中找到生成.DAT文件，经过Aqwa16.0处理后得到三体船的水动力系数 a_ii、b_ii、c_ii。

(3)高速三体船纵向运动模型建立：

由达朗贝尔理论可得高速船纵摇和升沉耦合方程：

等式左边是船的动态模型，右边是海浪与力的关系，由等式左边可以推导出船在力作用 下的运动模型，右边可以推导出船在海浪作用下的受力模型。式中m₃₃是船质量，a_ij是海水 对船的附加质量，x₃是纵向垂荡高度，b_ij是阻尼系数，c_ij是恢复系数，x₅是纵摇角度，m₅₅是纵摇惯性力矩，这些水动力系数是在ANSYS平台上根据不同三体船的尺寸参数仿真得到 的。F_T、F_F和M_T、M_F分别表示T型翼和压浪板提供的升力和力矩，F_wave和M_wave分别为海 浪作用在三体船上的垂荡扰动力和纵摇干扰力矩。

将得到的海浪模型作为整个程序的始端输入，模块由两个部分构成，分别称为“海浪- 力运动方程”和“力-垂荡纵摇”；

将AQWA分析得到的水动力系数作为输入，在MATLAB平台中使用“ss2tf”函数进行实 现，根据水动力系数和遭遇频率范围(0.5rad/s～2.8rad/s)得到纵向运动模型，输出为高速三 体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度。

(4)模糊控制方法设计：

模糊化的作用是将输入清晰量转化为模糊量，通过隶属度函数将输入量映射为输入论域 的模糊集合，此控制系统设计中选择隶属函数为三角形。模糊控制建立规则如图2所示。

数据库：包含了尺度变换因子，模糊空间分割，隶属函数选择。根据实际的输入范围 与论域范围[x_min,x_max]确定量化因子:

对{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}的分段设置即隶属函数的取值如下，其中trapmf和trimf 分别指连接形状为梯形和三角形：

输入纵向垂荡高度和纵摇角度的耦合值(h+p)、其微分d(h+p)：

NB:[-5.16 -3.24 -1.8 -1.4] → trapmf NM:[-2 -1 0] → trimf

NS:[-1 -0.5 0] → trimf Z:[-0.5 0 0.5] → trimf

PS:[0 0.5 1] → trimf P:[0 1 2] → trimf

PB:[1.4 1.8 3.24 5.16]trapmf

输出为减摇附体迎流攻角的改变值α(注：为了方便验证，将压浪板的迎流攻角固定为 6°，只改变T型翼的迎流攻角):论域为[-3，3]

NB:[-4 -3 -2] → trimf NM:[-3 -2 -1] → trimf

NS:[-2 -1 0] → trimf Z:[-1 0 1] → trimf

PS:[0 1 2] → trimf P:[1 2 3] → trimf

PB:[2 3 4] → trimf

模糊变量有两个输入(h+p)、微分d(h+p)，一个输出α均需要进行模糊化，最终得到的 三个隶属函数。垂荡和纵摇的耦合值(h+p)以及其微分d(h+p)，每个输入有7种状态，所以 一共会产生7*7＝49种输出情况，输出值为减摇附体迎流攻角改变量α，即α可能有49种输 出值。推理过程举例如下：

例：if(h+p is NB)and(d(h+p)is NB)then(a is NB)

if(h+p is NB)and(d(h+p)is NM)then(a is NB)

…

清晰化采用重心法(centroid)

采用重心法时有重心为：

最后将清晰值转化为实际输出值，若重心z₀的变化范围是[z_min,z_max]，则实际的输出 量变化范围为[a_min,a_max]，得到比例因子如下式：

在MATLAB环境下，模糊控制模块设计过程具体为：在MATLAB的GUI平台主窗口中键入Fuzzy，回车；点击编辑按钮，增加输入量h+p和输入量微分d(h+p)，再增加一个输出 量α，分别选中这3个输入输出模块使其变红，设置其名称参数。在文件按钮中点击输出Export到To Disk，再点击SaveFIS保存文件，命名为”controller”；对于两个输入和一个输出进行“MF Editor:Controller”界面的设置；分别选定{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}7个分段的跨度，并设置每个分段的边界的位置和这些段组成图形的形状，得到输入输出的隶属函数；点击Edit 中的Rulles Editor按钮，进行规则编辑；在SIMULINK平台搭建的控制系统中的FuzzyLogic Controller模块里导入上面保存的文件，在这个模块中导入GUI平台得到的.FIS文件；最后在 MATLAB命令框中输入：mohu＝readfis(“controller”)，对于这个名为”controller”的文件进行调 用，回车即可。

(5)减摇附体T型翼和压浪板计算模型具体为：

输入是经过模糊控制后得到的迎流攻角改变值α，与迎流攻角改变值α对应的纵向改变 力和力矩分别为：

M_t/f＝d_a·F_t/f

其中，C_L为升力系数，d_a为减摇浮体距高速三体船重心的直线距离，F_t、F_f和M_t、M_f分别表示T型翼和压浪板提供的升力和力矩。

基于模糊控制法高速三体船纵向减摇控制方法在MATLAB环境下的实现：

在MATLAB软件中控制方法最终实现的结构图如图3所示，设置系统工作在40节航速下， 整体输入是引入附加遭遇频率的SSN5级随机海浪ξ(t)，经过“海浪-力运动方程”和“力-垂 荡纵摇”模块处理后输出为纵向垂荡高度x₃(Heave)和纵摇角度x₅(Pitch)以及其对应的 变化速度；将这些输出，即垂荡和纵摇的耦合值(h+p)以及其微分d(h+p)，作为模糊控制器 的输入，模糊处理输入信号后输出减摇附体迎流攻角改变量α，再经过减摇附体T型翼和压 浪板模型模块运算之后产生纵向改变力F_t和F_f和力矩M_t和M_f，反馈到高速三体船纵向运动 模型控制模块输入上进行叠加抵消，实现稳定控制。

Claims (5)

1.一种基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征是：包含以下步骤：

步骤一：模拟实际海况，在传统海浪模型基础上引入附加遭遇频率，建立随机海浪模型；

步骤二：利用随机海浪模型，使用ANSYS平台分析获得高速三体船水动力系数，根据水动力系数建立高速三体船纵向运动数学模型，得到高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度；

步骤三：针对纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)设计模糊控制方法的隶属函数，通过隶属函数将输入量映射为输入论域的模糊集合，设计7*7高速三体船模糊控制规则，得到模糊控制输出迎流攻角改变量α；

步骤四：建立减摇附体T型翼和压浪板的计算模型，将迎流攻角改变量α作为减摇附体计算模型输入，经过减摇附体T型翼和压浪板计算模型运算之后产生纵向改变力和力矩，反馈作用在高速三体船纵向运动系统。

2.根据权利要求1所述的基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征在于：步骤一所述的随机海浪模型具体为：

<mrow> <mi>&amp;zeta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msqrt> <mfrac> <mi>A</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>N</mi> <mi>B</mi> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>B</mi> <mrow> <mi>ln</mi> <mfrac> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>4</mn> </mfrac> </msup> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>V</mi> <mi>g</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>B</mi> <mrow> <mi>ln</mi> <mfrac> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </msup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow>

其中，A＝8.10×10^-3g²，ε_i代表构成海浪波的相位角，是在(0，2π)区间内的随机变量，即ε_i＝rand(0,2π)；N为样本数，V为海浪相对于静态三体船的速度即三体船航速，H为海面上的平均潮高。

3.根据权利要求1所述的基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征在于：步骤二所述的高速三体船纵向运动模型建立过程具体为：

(1)将随机海浪模型作为整个程序的始端输入，模块由两个部分构成，分别为“海浪-力运动方程”和“力-垂荡纵摇”模型；

(2)将AQWA分析得到的水动力系数作为输入，在MATLAB平台中使用“ss2tf”函数进行实现，根据水动力系数和遭遇频率范围得到纵向运动模型，输出为高速三体船纵向运动响应垂荡高度和纵摇角度。

4.根据权利要求1所述的基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征在于：步骤三所述的模糊控制方法设计具体为：

(1)模糊化：通过隶属函数将输入量映射成系统输入论域中的模糊量集合，模糊变量有输入量垂荡高度和纵摇角度的耦合值，即h+p以及其微分d(h+p)，以及输出量减摇附体迎流攻角改变量α，其中h代表垂荡高度，p代表纵摇角度，微分形式指其变化速度，α为迎流攻角期望角度与实际角度的差值；

(2)规则建立：两个输入量的模糊子集设计为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，输出量的模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，输入输出论域都为[-3,3]；

(3)模糊推理：采用三段式推理即大前提，小前提以及结论，模糊推理中，设X是输入，Y是输出，而A与B是模糊子集，则多输入--单输出推理规则如下：

大前提：if X₁＝A，and X₂＝B，then Y＝C

小前提：X₁＝A，and X₂＝B

结论：Y＝C

(4)清晰化：选择重心法(centroid)来进行变量清晰化，并将清晰值转化为实际输出值，若重心z₀的变化范围是[z_min,z_max]，则实际的输出量变化范围为[a_min,a_max]。

5.根据权利要求1所述的基于模糊控制法的高速三体船减纵摇控制方法，其特征在于：步骤四所述的减摇附体T型翼和压浪板计算模型具体为：

(1)二者的输入是经过模糊控制后得到的迎流攻角改变量α；

(2)与迎流攻角改变量α对应的纵向改变力和力矩分别为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mo>/</mo> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msup> <mi>&amp;rho;AV</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>C</mi> <mi>L</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

M_t/f＝d_a·F_t/f

其中，C_L为升力系数，d_a为减摇浮体距高速三体船重心的直线距离，A为T型翼或压浪板的投影面积(m²)，F_t、F_f和M_t、M_f分别表示T型翼和压浪板提供的升力和力矩。