水翼雙體船航向橫傾控制方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種水翼雙體船航向橫傾控制方法及裝置，包括：根據(jù)水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)、伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)、外界干擾和伺服系統(tǒng)干擾，得到帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型；根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型，得到外界干擾的估計值和伺服系統(tǒng)干擾的估計值；根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。本發(fā)明提供的水翼雙體船航向橫傾控制方法及裝置，提高了水翼伺服系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，保證了能夠計算出更優(yōu)的力/力矩和襟尾翼翼角，用于鎮(zhèn)定艏搖角與橫搖角。
【專利說明】
水翼雙體船航向橫傾控制方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明具體設(shè)及一種水翼雙體船航向橫傾跟蹤控制方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 水翼雙體船是一種集高速雙體船和水翼船優(yōu)點于一身的全新概念的復(fù)合型高性 能船。由于水翼提供了將船體托出水面的升力，所W水翼船克服了興波阻力和摩擦阻力對 船舶速度的限制，降低了海浪對船體的沖擊，較排水量型船有良好的適航性。但由于船體被 水翼的升力抬升出水面，因此在高速航行過程中，對來自風(fēng)浪流的干擾缺少自穩(wěn)性和魯棒 性。劇烈搖擺運動，會對航行性能產(chǎn)生不可忽略的影響，直接影響到其適航性;導(dǎo)致所配備 的設(shè)備產(chǎn)生故障，損壞船上所裝載的貨物，更有甚者能夠危及船舶及船員的航行安全。良好 的航向保持能力會提高運營效益，增強(qiáng)水翼雙體船的安全性，降低系統(tǒng)故障發(fā)生率。因此水 翼雙體船的航向跟蹤運動控制非常重要。
[0003] 目前對水翼雙體船航向橫傾跟蹤控制的研究僅停留在動力學(xué)分析的層面。現(xiàn)存的 控制方法多為通過狀態(tài)反饋等反饋形式計算出鎮(zhèn)定臘搖角與橫搖角所需的力/力矩和襟尾 翼翼角，而水翼伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性卻不予考慮。實質(zhì)上，水翼伺服系統(tǒng)作為水翼雙體船航 向橫傾跟蹤控制系統(tǒng)的快時變內(nèi)環(huán)路，其控制方法的優(yōu)劣對于襟尾翼能否完美跟蹤計算出 的指令翼角至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供的水翼雙體船航向橫傾控制方法及裝置，通 過在現(xiàn)有的水翼雙體船航向橫傾跟蹤控制方法中加入水翼伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了水 翼伺服系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，保證了能夠計算出更優(yōu)的力/力矩和襟尾翼翼角，用 于鎮(zhèn)定臘搖角與橫搖角。
[0005] 第一方面，本發(fā)明提供的水翼雙體船航向橫傾控制方方法，包括:根據(jù)水翼雙體船 動態(tài)特性參數(shù)、伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)、外界干擾和伺服系統(tǒng)干擾，得到帶有水翼伺服系統(tǒng) 動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型;根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型， 得到外界干擾的估計值和伺服系統(tǒng)干擾的估計值;根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模 型、所述外界干擾的估計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器 的電壓控制量。
[0006] 本發(fā)明實施例提供的水翼雙體船航向橫傾控制方法，通過在現(xiàn)有的水翼雙體船航 向橫傾跟蹤控制方法中加入水翼伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了水翼伺服系統(tǒng)的控制精度和 抗干擾能力，保證了能夠計算出更優(yōu)的力/力矩和襟尾翼翼角，用于鎮(zhèn)定臘搖角與橫搖角。
[0007] 優(yōu)選地，所述根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型，計算得到外界干擾的估計值 和伺服系統(tǒng)干擾的估計值，包括:根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和外界干擾，通過水 翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器，得到外界干擾的估計值;根據(jù)水翼雙體船航向 橫傾動力學(xué)模型和伺服系統(tǒng)干擾，通過水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器，得到伺服系統(tǒng)干擾的估 計值。
[0008] 優(yōu)選地，所述根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估計值 和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量，包括:根據(jù)所 述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計 值，利用反演控制器，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。
[0009] 優(yōu)選地，所述利用反演控制器，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量，包 括:利用帶有二階低通濾波器的反演控制器，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量； 所述反演控制器的反演過程的每一步會產(chǎn)生虛擬控制律，所述二階低通濾波器用于產(chǎn)生所 述虛擬控制率的微分，所述虛擬控制率的微分用于下一次反演過程。
[0010] 優(yōu)選地，所述水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)包括：回轉(zhuǎn)角速度r、橫傾角速度P、橫傾角 Φ、航向角Φ、水翼雙體船高速翼航狀態(tài)下的航速U0;
[0011] 所述伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)包括:柱翼艙艙角δκ、襟尾翼翼角δΑ、伺服系統(tǒng)電壓信 號輸入矩陣UV;
[0012] 所述帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型為
界干擾，Cb為伺服系統(tǒng)干擾，F(xiàn)i(UG，X2)為水翼雙體船水動力參數(shù)矩陣，F(xiàn)2(UG，X4)為伺服系統(tǒng) 描述函數(shù)矩陣，巧(馬)為水翼雙體船航向橫傾回路控制矩陣，馬(?)為伺服系統(tǒng)回路控制矩 陣；
[0018]所述水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器具有W下形式：
[002引其中4為伺服系統(tǒng)干擾山的估計值，hl、ll2、Pll和P12為水翼雙體船模型不確定性 與海浪干擾估計器的相關(guān)增益；
[0024]所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器具有W下形式：
[0029] 其中為外界干擾Cb的估計值，121、122、口21、口22為水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器的相 關(guān)增益；
[0030] 所述水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器和所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計 器的約束條件呆
d = l，2，j = 0，l，2。
[0031 ]第二方面，本發(fā)明提供的水翼雙體船航向橫傾控制方法裝置，包括:模型建立模 塊，用于根據(jù)水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)、伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)、外界干擾和伺服系統(tǒng)干 擾，得到帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型;分析計算模塊，用 于根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型，得到外界干擾的估計值和伺服系統(tǒng)干擾的估 計值;控制量計算模塊，用于根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估 計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。
[0032] 本發(fā)明實施例提供的水翼雙體船航向橫傾控制方法，通過在現(xiàn)有的水翼雙體船航 向橫傾跟蹤控制方法中加入水翼伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了水翼伺服系統(tǒng)的控制精度和 抗干擾能力，保證了能夠計算出更優(yōu)的力/力矩和襟尾翼翼角，用于鎮(zhèn)定臘搖角與橫搖角。
[0033] 優(yōu)選地，所述分析計算模塊，具體用于:根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和外 界干擾，通過水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器，得到外界干擾的估計值;根據(jù)水 翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和伺服系統(tǒng)干擾，通過水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器，得到伺服 系統(tǒng)干擾的估計值。
[0034] 優(yōu)選地，所述控制量計算模塊，具體用于根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模 型、所述外界干擾的估計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，利用反演控制器，輸出用于控制 水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。
[0035] 優(yōu)選地，所述利用反演控制器，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量，包 括:利用帶有二階低通濾波器的反演控制器，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量； 所述反演控制器的反演過程的每一步會產(chǎn)生虛擬控制律，所述二階低通濾波器用于產(chǎn)生所 述虛擬控制率的微分，所述虛擬控制率的微分用于下一次反演過程。
[0036] 優(yōu)選地，所述水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)包括：回轉(zhuǎn)角速度r、橫傾角速度P、橫傾角 Φ、航向角Φ、水翼雙體船高速翼航狀態(tài)下的航速U0 ;
[0037] 所述伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)包括:柱翼艙艙角δκ、襟尾翼翼角δΑ、伺服系統(tǒng)電壓信 號輸入矩陣UV;
[0038] 所述帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型為
界干擾，cb為伺服系統(tǒng)干擾，F(xiàn)i(UG，X2)為水翼雙體船水動力參數(shù)矩陣，F(xiàn)2(UG，X4)為伺服系統(tǒng) 描述函數(shù)矩陣，馬(.、·:)為水翼雙體船航向橫傾回路控制矩陣，馬的)為伺服系統(tǒng)回路控制矩 陣；
[0044]所述水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器具有W下形式：
[0049] 其中，ill為伺服系統(tǒng)干擾山的估計值，hl、ll2、pil和P12為水翼雙體船模型不確定性 與海浪干擾估計器的相關(guān)增益；
[0050] 所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器具有W下形式：
[005引其中，.為外界干擾cb的估計值，121、122、口21、口22為水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器的相 關(guān)增益；
[0056] 所述水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器和所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計 器的約束條件天
L = l，2，j = 0，l，2。
【附圖說明】
[0057] 圖1示出了本發(fā)明實施例所提供的一種水翼雙體船航向橫傾控制方法的流程圖；
[0058] 圖2示出了本發(fā)明實施例所提供的一種水翼雙體船航向橫傾控制方法的流程圖；
[0059] 圖3示出了本發(fā)明實施例所提供的一種水翼雙體船航向橫傾控制裝置的結(jié)構(gòu)框 圖；
[0060] 圖4為水翼雙體船回轉(zhuǎn)角速度和回轉(zhuǎn)角仿真曲線；
[0061] 圖5為水翼雙體船橫傾角速度和橫傾角仿真曲線。
【具體實施方式】
[0062] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。W下實施例僅用于 更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，因此只是作為示例，而不能W此來限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
[0063] 需要注意的是，除非另有說明，本申請使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā) 明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的通常意義。
[0064] 為了提高水翼雙體船航向橫傾控制精度和抗干擾能力，本發(fā)明實施例提供了水翼 雙體船航向橫傾控制方法，【具體實施方式】如圖1所示，包括：
[0065] 步驟SlOl，根據(jù)水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)、伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)、外界干擾和伺 服系統(tǒng)干擾，得到帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型。
[0066] 步驟S102,根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型，得到外界干擾的估計值和 伺服系統(tǒng)干擾的估計值。
[0067] 步驟S103,根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估計值和 所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。
[0068] 本發(fā)明實施例提供的方法，通過在現(xiàn)有的水翼雙體船航向橫傾跟蹤控制方法中加 入水翼伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了水翼伺服系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，保證了能夠 計算出更優(yōu)的力/力矩和襟尾翼翼角，用于鎮(zhèn)定臘搖角與橫搖角。另外，將水翼雙體船的航 向橫傾姿態(tài)控制落實到伺服系統(tǒng)層面，控制量直接為伺服系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動電壓信號，對于水 翼雙體船的工程設(shè)計更具有現(xiàn)實意義。
[0069] 其中，水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)包括：回轉(zhuǎn)角速度r、橫傾角速度P、橫傾角Φ、航向 角Φ、水翼雙體船高速翼航狀態(tài)下的航速U0。
[0070] 其中，所述伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)包括:柱翼艙艙角δκ、襟尾翼翼角δΑ、伺服系統(tǒng)電 壓信號輸入矩陣UV。
[0071 ]帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型為
[0076] 其中，χι= [ Φ Φ]τ，Χ2 = [Ρ r]T，us= [Sr 5A]T，di為水翼雙體船模型受到的外界干 擾例如海浪、海風(fēng)和海流對船體和水翼系統(tǒng)造成的干擾力和干擾力矩。cb為伺服系統(tǒng)中存 在的傳動干擾、摩擦、W及外界環(huán)境作用在襟翼和柱翼上的力和力矩。U0為水翼雙體船高速 翼航狀態(tài)下的航速，一般是一個固定的速度值。Fi(U0，X2)為水翼雙體船水動力參數(shù)矩陣，F(xiàn)2 (U0，X4)為伺服系統(tǒng)描述函數(shù)矩陣，馬柏)為水翼雙體船航向橫傾回路控制矩陣，毎巧伺 服系統(tǒng)回路控制矩陣。
[0077] 步驟S102具體包括:根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和外界干擾，通過水翼 雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器，得到外界干擾的估計值;根據(jù)水翼雙體船航向橫 傾動力學(xué)模型和伺服系統(tǒng)干擾，通過水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器，得到伺服系統(tǒng)干擾的估計 值。
[0078] 水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器具有如下的形式：
[00削其中4為伺服系統(tǒng)干擾di的估計值，hl、ll2、Pll和P12為水翼雙體船模型不確定性 與海浪干擾估計器的相關(guān)增益。
[0084]水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器具有W下形式：
[0089] 其中，4為外界干擾cb的估計值；
[0090] 氷冀雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器和水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器的約束 條件戈
i = l，2，j = 0，l，2,在為相關(guān)范數(shù)的最大值，即范數(shù)的上界。傳統(tǒng)的干擾估 計器要求干擾有界且導(dǎo)數(shù)對時間的極限為0,而本發(fā)明實施例中的干擾估計器只要求干擾 及其導(dǎo)數(shù)的范數(shù)有界，因此放寬了對外界干擾的約束條件，具有更強(qiáng)的實用性。
[0091] 步驟S103具體包括:根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、外界干擾的估計值和 伺服系統(tǒng)干擾的估計值，利用反演控制器，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。
[0092] 上述步驟的【具體實施方式】如圖2所示，圖中擴(kuò)展干擾器包括水翼雙體船模型不確 定性與海浪干擾估計器和水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器。
[0093] 為了增加了反演控制器的在線求解速度，本發(fā)明實施例在反演控制器內(nèi)部加入了 二階低通濾波器，其原理是針對反演過程的每一步中產(chǎn)生的虛擬控制律，利用二階低通濾 波器產(chǎn)生虛擬控制律的微分。利用帶有二階低通濾波器的反演控制器，解決了傳統(tǒng)反演控 制由于控制系統(tǒng)階數(shù)增加而產(chǎn)生的微分膨脹問題，利用二階低通濾波器求解虛擬控制律的 微分，增加了反演控制器的在線求解速度。該方法具體步驟如下：
[0094] 步驟一:根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型，得到閉環(huán)系統(tǒng)的跟蹤誤差為ei = xi-xid;根據(jù)跟蹤誤差，得到虛擬控制量為角=-的+?巧中，k功正實數(shù)，xid為指令姿態(tài) 角信息矩陣。
[00M]利用二階低通濾波器，得到βι的估計值和&一階導(dǎo)數(shù)的估計值，其中，二階低通濾 淋黑責(zé)
[009引其中，所述二階低通濾波器的初值設(shè)置為件化）二片訴），二0，to為系統(tǒng)初 始時刻，為;I為&的估計值，嚴(yán)為&一階導(dǎo)數(shù)的估計值，ζι為濾波器阻尼比，ω 1為濾波器自然 頻率。
[0099]設(shè)計補(bǔ)償跟蹤誤差系統(tǒng)為
[0102]其中，ξι的初始值為ξια〇)=0，ξ2的定義在步驟二中給出。
[0103] 步驟二：根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型，得到閉環(huán)系統(tǒng)的跟蹤誤差 (j: = 3-_，-化進(jìn)而得到虛擬控制量為
[0104]
[01化]其中，k2為正實數(shù)。
[0106]通過二階低通濾波器，計算阮的估計值和阮一階導(dǎo)數(shù)的估計值，其中，二階低通濾 波器為
[0109] 其中，所述二階低通濾波器的初值設(shè)置為岸.1的）二屬的），隹.2(0 = 0，to為系統(tǒng) 初始時刻，係為02的估計值，潑2為β廠階導(dǎo)數(shù)的估計值，ζ2為濾波器阻尼比，W2為濾波器 自然頻率。
[0110] 設(shè)計跟蹤誤差補(bǔ)償系統(tǒng)為
[01 1引其中，ξ2的初始值為ξ2 (to) = 0，ξ3的定義在步驟立中給出。
[0114] 步驟Ξ:定義系統(tǒng)的跟蹤誤差為巧=& -隹,，設(shè)計虛擬控制量為《=-Α誠+隹2 -卻V， 其中，k3為正實數(shù)。
[0115] 通過二階低通濾波器，得到抗的估計值和抗一階導(dǎo)數(shù)的估計值，其中，二階低通濾 波器為
[011引其中，所述二階低通濾波器的初值設(shè)置為保斯）二A妃），錢.堿）二0，to為系統(tǒng)初 始時刻，觸為抗的估計值，錢2為03-階導(dǎo)數(shù)的估計值ζ3為濾波器阻尼比，W3為濾波器自然 頻率。
[0119]定義跟蹤誤差補(bǔ)償系統(tǒng)
[0122] 其中，ξ3的初始值為C3(t〇)=0。
[0123] 步驟四：定義系統(tǒng)的跟蹤誤差為:? =? -爲(wèi)4，得到最終控制量為
[0124]
[0125] 其中，k4為正實數(shù)，04為控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量，即為伺服系統(tǒng)電壓信 號輸入矩陣UV。
[0126] 基于與上述水翼雙體船航向橫傾控制方法相同的構(gòu)思，本發(fā)明實施例還提供了一 種水翼雙體船航向橫傾控制裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括:模型建立模塊101，用于根據(jù)水 翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)、伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)、外界干擾和伺服系統(tǒng)干擾，得到帶有水翼 伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型;分析計算模塊102，用于根據(jù)水翼雙 體船航向橫傾動力學(xué)模型，得到外界干擾的估計值和伺服系統(tǒng)干擾的估計值;控制量計算 模塊103,用于根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、外界干擾的估計值和伺服系統(tǒng)干擾的 估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。
[0127] 本發(fā)明實施例提供的方法，通過在現(xiàn)有的水翼雙體船航向橫傾跟蹤控制方法中加 入水翼伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了水翼伺服系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，保證了能夠 計算出更優(yōu)的力/力矩和襟尾翼翼角，用于鎮(zhèn)定臘搖角與橫搖角。另外，將水翼雙體船的航 向橫傾姿態(tài)控制落實到伺服系統(tǒng)層面，控制量直接為伺服系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動電壓信號，對于水 翼雙體船的工程設(shè)計更具有現(xiàn)實意義。
[0128] 其中，分析計算模塊102具體用于:根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和外界干 擾，通過水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器，得到外界干擾的估計值;根據(jù)水翼雙 體船航向橫傾動力學(xué)模型和伺服系統(tǒng)干擾，通過水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器，得到伺服系統(tǒng) 干擾的估計值。
[0129] 其中，控制量計算模塊103具體用于根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所 述外界干擾的估計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，利用反演控制器，輸出用于控制水翼 伺服驅(qū)動器的電壓控制量。
[0130] 其中，控制量計算模塊103具體還用于利用帶有二階低通濾波器的反演控制器，輸 出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量;反演控制器的反演過程的每一步會產(chǎn)生虛擬控 制律，二階低通濾波器用于產(chǎn)生虛擬控制率的微分，虛擬控制率的微分用于下一次反演過 程。利用帶有二階低通濾波器的反演控制器，解決了傳統(tǒng)反演控制由于控制系統(tǒng)階數(shù)增加 而產(chǎn)生的微分膨脹問題，利用二階低通濾波器求解虛擬控制律的微分，增加了反演控制器 的在線求解速度。其具體實現(xiàn)方式可W參照上述實施例，重復(fù)之處不再寶述。
[0131] 其中，水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)包括：回轉(zhuǎn)角速度r、橫傾角速度P、橫傾角Φ、航向 角Φ、水翼雙體船高速翼航狀態(tài)下的航速U0。
[0132] 其中，所述伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)包括:柱翼艙艙角δκ、襟尾翼翼角δΑ、伺服系統(tǒng)電 壓信號輸入矩陣UV。
[0133] 其中，帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型為
[013引其中，Χ1= [ Φ Φ]τ，Χ2= [Ρ r]T，us= [Sr SA]T，d功水翼雙體船模型受到的外界干 擾例如海浪、海風(fēng)和海流對船體和水翼系統(tǒng)造成的干擾力和干擾力矩。cb為伺服系統(tǒng)中存 在的傳動干擾、摩擦、W及外界環(huán)境作用在襟翼和柱翼上的力和力矩。U0為水翼雙體船高速 翼航狀態(tài)下的航速，一般是一個固定的速度值;Fl (U0，X2)為水翼雙體船水動力參數(shù)矩陣，F(xiàn)2 (U0，X4)為伺服系統(tǒng)描述函數(shù)矩陣，巧咕巧水翼雙體船航向橫傾回路控制矩陣，是(?)為伺 服系統(tǒng)回路控制矩陣。
[0139]其中，水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器具有W下形式：
[0144] 其中4為伺服系統(tǒng)干擾山的估計值，hl、ll2、pil和P12為水翼雙體船模型不確定性 與海浪干擾估計器的相關(guān)增益。
[0145] 其中，水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器具有W下形式：
[0150]其中4為外界干擾Cb的估計值，121、122、口21、口22為水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器的相 關(guān)增益。
[0151 ]其中，水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器和所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計 器的約束條件夫
L = l，2，j = 0，l，2，Z為相關(guān)范數(shù)的最大值，即范數(shù)上界。傳統(tǒng)的 干擾估計器要求干擾有界且導(dǎo)數(shù)對時間的極限為0,而本發(fā)明實施例中的干擾估計器只要 求干擾及其導(dǎo)數(shù)的范數(shù)有界，因此放寬了對外界干擾的約束條件，具有更強(qiáng)的實用性。
[0152] 對本發(fā)明實施例提供的方法進(jìn)行仿真分析，圖4和圖5為部分仿真結(jié)果。圖4為水翼 雙體船回轉(zhuǎn)角速度和回轉(zhuǎn)角仿真曲線，由于回轉(zhuǎn)實驗?zāi)軌驕y試船舶對于快速航向改變運動 的適應(yīng)性，因此采用了回轉(zhuǎn)角與回轉(zhuǎn)角速度來描述仿真結(jié)果，其與航向角和航向角速度可 W等同表征。圖5為水翼雙體船橫傾角速度和橫傾角仿真曲線。由圖4、圖5可W看出，本發(fā)明 實施例提供的方法，可實現(xiàn)航向跟蹤，并且航向改變迅速，通過控制襟尾翼與柱翼的伺服系 統(tǒng)輸入電壓信號可實現(xiàn)，定?；剞D(zhuǎn)時，船舶橫傾角為期望橫傾角度。利用本發(fā)明實施例提供 的方法，可實現(xiàn)水翼雙體船沿期望的航向角和橫傾角運行，從而實現(xiàn)機(jī)動性和安全性的綜 合最優(yōu)。
[0153] 本發(fā)明實施例提供的裝置，通過在現(xiàn)有的水翼雙體船航向橫傾跟蹤控制方法中加 入水翼伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了水翼伺服系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，保證了能夠 計算出更優(yōu)的力/力矩和襟尾翼翼角，用于鎮(zhèn)定臘搖角與橫搖角。
[0154] 最后應(yīng)說明的是：W上各實施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依 然可W對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn) 行等同替換；而運些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù) 方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種水翼雙體船航向橫傾控制方法，其特征在于，包括： 根據(jù)水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)、伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)、外界干擾和伺服系統(tǒng)干擾，得 到帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型； 根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型，得到外界干擾的估計值和伺服系統(tǒng)干擾的 估計值； 根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估計值和所述伺服系統(tǒng)干 擾的估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模 型，計算得到外界干擾的估計值和伺服系統(tǒng)干擾的估計值，包括： 根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和外界干擾，通過水翼雙體船模型不確定性與海 浪干擾估計器，得到外界干擾的估計值； 根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和伺服系統(tǒng)干擾，通過水翼伺服系統(tǒng)干擾估計 器，得到伺服系統(tǒng)干擾的估計值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué) 模型、所述外界干擾的估計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動 器的電壓控制量，包括:根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估計值 和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，利用反演控制器，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控 制量。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用反演控制器，輸出用于控制水翼 伺服驅(qū)動器的電壓控制量，包括:利用帶有二階低通濾波器的反演控制器，輸出用于控制水 翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量;所述反演控制器的反演過程的每一步會產(chǎn)生虛擬控制律，所 述二階低通濾波器用于產(chǎn)生所述虛擬控制率的微分，所述虛擬控制率的微分用于下一次反 演過程。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于， 所述水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)包括：回轉(zhuǎn)角速度r、橫傾角速度P、橫傾角Φ、航向角Φ、 水翼雙體船高速翼航狀態(tài)下的航速U0; 所述伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)包括:柱翼艙艙角Sr、襟尾翼翼角δΑ、伺服系統(tǒng)電壓信號輸 入矩陣UV; 所述帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型為其中，Χ1=[Φ Φ]Τ，Χ2=[Ρ ：T]T，US=[Sr Sa]T，X3=[Sr Sa]t，X4.=或 & .，dl 為夕 F 界干 擾，cb為伺服系統(tǒng)干擾，F(xiàn)i(U0，X2)為水翼雙體船水動力參數(shù)矩陣，F(xiàn)2(U0，X4)為伺服系統(tǒng)描述 函數(shù)矩陣，巧(X。)為水翼雙體船航向橫傾回路控制矩陣，豆:(?)為伺服系統(tǒng)回路控制矩陣； 所述水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器具有W下形式：其中，4為伺服系統(tǒng)干擾山的估計值，111、112、911和912為水翼雙體船模型不確定性與海 浪干擾估計器的相關(guān)增益； 所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器具有W下形式：其中，(?為外界干擾d2的估計值，121、122、P21、P22為水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器的相關(guān)增 益； 所述水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器和所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器的 約束條件天i = l，2，j = 0，l，2。6. -種水翼雙體船航向橫傾控制裝置，其特征在于，包括： 模型建立模塊，用于根據(jù)水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)、伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)、外界干擾 和伺服系統(tǒng)干擾，得到帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型； 分析計算模塊，用于根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型，得到外界干擾的估計 值和伺服系統(tǒng)干擾的估計值； 控制量計算模塊，用于根據(jù)所述水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估 計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述分析計算模塊，具體用于： 根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和外界干擾，通過水翼雙體船模型不確定性與海 浪干擾估計器，得到外界干擾的估計值； 根據(jù)水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型和伺服系統(tǒng)干擾，通過水翼伺服系統(tǒng)干擾估計 器，得到伺服系統(tǒng)干擾的估計值。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述控制量計算模塊，具體用于根據(jù)所述 水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型、所述外界干擾的估計值和所述伺服系統(tǒng)干擾的估計值， 利用反演控制器，輸出用于控制水翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述利用反演控制器，輸出用于控制水翼 伺服驅(qū)動器的電壓控制量，包括:利用帶有二階低通濾波器的反演控制器，輸出用于控制水 翼伺服驅(qū)動器的電壓控制量;所述反演控制器的反演過程的每一步會產(chǎn)生虛擬控制律，所 述二階低通濾波器用于產(chǎn)生所述虛擬控制率的微分，所述虛擬控制率的微分用于下一次反 演過程。10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的裝置，其特征在于， 所述水翼雙體船動態(tài)特性參數(shù)包括：回轉(zhuǎn)角速度r、橫傾角速度P、橫傾角Φ、航向角Φ、 水翼雙體船高速翼航狀態(tài)下的航速U0 ; 所述伺服系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)包括:柱翼艙艙角Sr、襟尾翼翼角δΑ、伺服系統(tǒng)電壓信號輸 入矩陣UV; 所述帶有水翼伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的水翼雙體船航向橫傾動力學(xué)模型為其中，山為外界干 擾，cb為伺服系統(tǒng)干擾，F(xiàn)i(U0，X2)為水翼雙體船水動力參數(shù)矩陣，F(xiàn)2(U0，X4)為伺服系統(tǒng)描述 函數(shù)矩陣，寫片2巧水翼雙體船航向橫傾回路控制矩陣，馬C、4)為伺服系統(tǒng)回路控制矩陣； 所述水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器具有W下形式：其中，為為伺服系統(tǒng)干擾山的估計值，1η、1?2、ριι和P12為水翼雙體船模型不確定性與海 浪干擾估計器的相關(guān)增益； 所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器具有W下形式：其中，4為外界干擾cb的估計值，121、122、口21、口22為水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器的相關(guān)增 益； 所述水翼雙體船模型不確定性與海浪干擾估計器和所述水翼伺服系統(tǒng)干擾估計器的 約束條件天i = l，2，j = 0，l，2。
【文檔編號】B63B39/00GK105966566SQ201610343998
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】劉勝, 許長魁, 張?zhí)m勇, 王宇超
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)