本發(fā)明屬于船舶控制技術領域，具體涉及一種三體船減縱搖解耦控制器及設計方法。

背景技術：

隨著科學技術的不斷發(fā)展，以及各個國家對海洋戰(zhàn)略計劃的要求，高性能船舶的發(fā)展越來越受到人們的關注。三體船具有優(yōu)良的特性，其具有較大的內部空間和甲板面積，可以為操作人員提供更大的空間進行內部設施的強化，裝載先進的電子設備等。由于其對稱結構，具有更好的橫穩(wěn)性，并且具有良好的適航性能，既能增加船舶的面積又不影響船舶的快速性，所以三體船的研究和發(fā)展也備受人們關注。

對于高速多體船而言其大部分時間都在高速狀態(tài)下運行，在航行過程中劇烈縱向運動會為航行帶來一系列問題，幅度過大的縱向運動會導致船上人員產生暈船反應，降低船舶的舒適度；頻繁的縱向運動還會造成船上儀器和設備精度下降、甲板上浪、等嚴重后果。為解決多體船縱向不穩(wěn)定的問題，科研人員開始嘗試通過為船體加裝減搖附件方式，來限制船舶的縱向運動，并取得了一定的效果。減搖附件是一種位于船體外的附加裝置，相對于船舶來說體積較小，但是如果布局合理，減搖附件與船體之間可以產生有利的興波干擾，從而改善船舶的航行姿態(tài)。

目前常用的方式是在三體船上加裝減搖浮體t型翼和壓浪板，t型翼和壓浪板可根據(jù)運動角度的不同提供不同的升力和力矩，用來抵消海浪對船的影響，從而減少船體的升沉和縱搖運動。但目前三體船的減縱搖解耦控制器采用的都是單一的控制器，而單一的控制器不能同時減少三體船的升沉和縱搖運動，不能對三體船的升沉或縱搖運動實現(xiàn)單一變量的控制，升沉或縱搖運動的信號經過控制器時會對對方產生交叉影響。

三體船實現(xiàn)解耦控制的思想是通過解耦補償器的設計，使解耦補償器與被控對象組成的廣義系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為對角陣，從而把一個由耦合影響的多變量系統(tǒng)化為多個無耦合的單變量系統(tǒng)。但解耦設計方法中補償陣嚴重依賴于被控對象精確的數(shù)學模型，而被控過程通常是時變和非線性的，因此一個線性的、定常的解耦補償網(wǎng)絡在被控過程發(fā)生工作點變化時，由于不具有適應性，很難保證控制品質，甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

文獻fastshipsmodelsforseakeepingimprovementstudiesusingflapsandt-foil中介紹了一種解耦控制的方法，但不足之處是不能將輸入輸出變量完全解耦，因此尋找一種能夠將多變量轉化為單一變量控制的三體船減縱搖解耦方式是目前亟待解決的問題。

目前常用的三體船減縱搖解耦控制器主要分為兩大部分，第一部分是控制器，第二部分是解耦補償器；控制器一般采用pid控制器，但這種控制器會放大噪聲環(huán)節(jié)，而且結構較為繁瑣；解耦補償器主要用于解除系統(tǒng)變量之間的耦合，在研究三體船減縱搖解耦控制方法時，用傳統(tǒng)的解耦方法就可以達到較好的解耦效果，而且結構簡單，因此一般都選用傳統(tǒng)的解耦方法。所以尋找一種結構簡單、能夠降低噪聲并能與傳統(tǒng)解耦方法良好配合的控制器為另一個需要解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠消除t型翼和壓浪板對升沉和縱搖的耦合性，并實現(xiàn)單一變量控制的三體船減縱搖解耦控制器及設計方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種三體船減縱搖解耦控制器，包括三體船、第一pd控制器、第二pd控制器、解耦補償器、第一限幅環(huán)節(jié)、第二限幅環(huán)節(jié)、升沉測量模塊和縱搖測量模塊；第一pd控制器和第二pd控制器通過解耦補償器分別與第一限幅環(huán)節(jié)、第二限幅環(huán)節(jié)相連接，第一限幅環(huán)節(jié)與第二限幅環(huán)節(jié)直接安裝在三體船上，第一限幅環(huán)節(jié)通過三體船與升沉測量模塊連接，升沉測量模塊又與第一pd控制器連接，第二限幅環(huán)節(jié)通過三體船與縱搖測量模塊連接，縱搖測量模塊又與第二pd控制器連接。

優(yōu)選的，所述的三體船包括t型翼和壓浪板，t型翼裝于船艏，壓浪板裝于船艉。

一種三體船減縱搖解耦控制器設計方法，具體的實現(xiàn)步驟包括：

(1)輸入升沉量給定0m，縱搖量給定0°；

(2)通過升沉測量模塊測定三體船的升沉量，通過縱搖測量模塊測定三體船的縱搖量；

(3)將測定的升沉量與縱搖量分別與給定值比較，差值分別作為反饋信號發(fā)送給第一pd控制器和第二pd控制器進一步處理；

(4)第一pd控制器、第二pd控制器分別將處理后的信號作為輸入變量發(fā)送給解耦補償器，解耦補償器將壓浪板和t型翼對升沉和縱搖的影響進行解耦，輸出信號分別為壓浪板的理論運動角度和t型翼的理論運動角度；

(5)解耦補償器將壓浪板的理論運動角度和t型翼的理論運動角度分別發(fā)送給第一限幅環(huán)節(jié)與第二限幅環(huán)節(jié)作為輸入信號，第一限幅環(huán)節(jié)與第二限幅環(huán)節(jié)分別對三體船上安裝的壓浪板與t型翼的角度進行限制；

(6)第一限幅環(huán)節(jié)與第二限幅環(huán)節(jié)將得到的壓浪板和t型翼的實際運動角度輸入到三體船中，為三體船提供升力和升力矩；

(7)重復步驟(2)到步驟(6)，實現(xiàn)對三體船的壓浪板和t型翼的閉環(huán)控制。

優(yōu)選的，所述的步驟(3)中采用試湊法調節(jié)第一pd控制器和第二pd控制器的控制參數(shù)。

優(yōu)選的，步驟(4)中所述的解耦補償器采用相對增益矩陣的解耦方式，在解耦方式中添加解耦項，消除t型翼與壓浪板對三體船升沉和縱搖運動的耦合。

優(yōu)選的，步驟(4)中所述的解耦補償器的具體實施方式如下：

(4.1)向解耦補償器中添加傳遞函數(shù)；

(4.2)消除升沉運動對第二pd控制器的影響，消除縱搖運動對第一pd控制器的影響；

(4.3)使第一pd控制器通過解耦補償器的輸出信號只對應三體船的升沉運動，第二pd控制器通過解耦補償器的輸出信號只對應三體船的縱搖運動。

優(yōu)選的，步驟(4.2)中所述的第一pd控制器和第二pd控制器分別消除縱搖和升沉運動影響運用的公式如下：

其中，kp1為第一pd控制器gc1的增益，kp2為第二pd控制器gc2的增益，td1為第一pd控制器gc1的時間常數(shù)，td2為第二pd控制器gc2的時間常數(shù)。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明采用兩個pd控制器與解耦補償器對加裝了t型翼和壓浪板兩個減搖浮體的三體船進行前饋補償解耦控制，實現(xiàn)了t型翼和壓浪板兩個減搖浮體的解耦，提高了兩個減搖浮體在各自作用域的性能，避免相互干擾控制效果，使減搖效果達到最優(yōu)；

本發(fā)明適用于對復雜海況下三體船減縱搖情況進行分析，可廣泛應用于對船舶減縱搖的控制當中，解耦控制器可以實現(xiàn)對升沉和縱搖的綜合控制；

本發(fā)明所公開的一種三體船減縱搖解耦控制器及設計方法，控制方法簡單，結構易于實現(xiàn)，可以將減搖浮體與升沉和縱搖運動進行完全解耦，實現(xiàn)單一通道的控制，達到很好的解耦控制效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中三體船減縱搖解耦控制器組成原理框圖；

圖2為本發(fā)明中解耦控制器的閉環(huán)控制結構分解圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

實施例1

結合圖1，本發(fā)明公開了一種三體船減縱搖解耦控制器，包括三體船、第一pd控制器、第二pd控制器、解耦補償器、第一限幅環(huán)節(jié)、第二限幅環(huán)節(jié)、升沉測量模塊和縱搖測量模塊；第一pd控制器和第二pd控制器通過解耦補償器分別與第一限幅環(huán)節(jié)、第二限幅環(huán)節(jié)相連接，第一限幅環(huán)節(jié)與第二限幅環(huán)節(jié)直接安裝在三體船上，第一限幅環(huán)節(jié)通過三體船與升沉測量模塊連接，升沉測量模塊又與第一pd控制器連接，第二限幅環(huán)節(jié)通過三體船與縱搖測量模塊連接，縱搖測量模塊又與第二pd控制器連接，從而實現(xiàn)補償解耦的閉環(huán)控制。

其中，三體船加裝了t型翼和壓浪板兩個減搖浮體，采用兩個pd控制器gc1和gc2以及解耦補償器對其進行前饋補償解耦控制。

同時本發(fā)明公開了一種三體船減縱搖解耦控制器設計方法，其具體的實現(xiàn)步驟包括：

(1)輸入升沉量給定0m，縱搖量給定0°；

(2)通過升沉測量模塊測定三體船的升沉量，通過縱搖測量模塊測定三體船的縱搖量；

(3)將測定的升沉量與縱搖量分別與給定值比較，差值分別作為反饋信號發(fā)送給第一pd控制器和第二pd控制器進一步處理；

(4)第一pd控制器、第二pd控制器分別將處理后的信號作為輸入變量發(fā)送給解耦補償器，解耦補償器將壓浪板和t型翼對升沉和縱搖的影響進行解耦，輸出信號分別為壓浪板的理論運動角度和t型翼的理論運動角度；

(5)解耦補償器將壓浪板的理論運動角度和t型翼的理論運動角度分別發(fā)送給第一限幅環(huán)節(jié)與第二限幅環(huán)節(jié)作為輸入信號，第一限幅環(huán)節(jié)將壓浪板的運動角度限制在0°至15°之間，第二限幅環(huán)節(jié)將t型翼的運動角度限制在-15°至15°之間；

(6)第一限幅環(huán)節(jié)與第二限幅環(huán)節(jié)將得到的壓浪板和t型翼的實際運動角度輸入到三體船中，為三體船提供升力和升力矩；

(7)重復步驟(2)到步驟(6)，實現(xiàn)對三體船的壓浪板和t型翼的閉環(huán)控制。

所述的步驟(3)中采用試湊法調節(jié)第一pd控制器和第二pd控制器的控制參數(shù)。

步驟(4)中所述的解耦補償器采用相對增益矩陣的解耦方式，在解耦方式中添加解耦項，消除t型翼與壓浪板對三體船升沉和縱搖運動的耦合。

步驟(4)中所述的解耦補償器的具體實施方式如下：

(4.1)向解耦補償器中添加傳遞函數(shù)；

(4.2)消除升沉運動對第二pd控制器的影響，消除縱搖運動對第一pd控制器的影響；

(4.3)使第一pd控制器通過解耦補償器的輸出信號只對應三體船的升沉運動，第二pd控制器通過解耦補償器的輸出信號只對應三體船的縱搖運動。

其中，步驟(4.2)中所述的第一pd控制器和第二pd控制器分別消除縱搖和升沉運動影響運用的公式如下：

其中，kp1為第一pd控制器gc1的增益，kp2為第二pd控制器gc2的增益，td1為第一pd控制器gc1的時間常數(shù)，td2為第二pd控制器gc2的時間常數(shù)。

結合圖1和圖2，本發(fā)明采用的解耦補償器采用前饋補償解耦法，具體方式為：將三體船水池拖曳試驗中得到的數(shù)據(jù)以及t型翼和壓浪板提供的升力和升力矩代入到船舶動力學方程中，得到加裝t型翼和壓浪板的三體船模型。方程如下所示：

其中，x3為升沉量，x5為縱搖量，m33為升沉質量，m55為縱搖慣性力矩，aij為附加質量，bij為阻尼系數(shù)，cij為恢復系數(shù)，ω為輸入海浪信號，fi為海浪信號作用在船體上的力，γi為海浪信號作用在船體上的相位。

結合圖2，三體船模型的傳遞函數(shù)分別為g11、g12、g21、g22，解耦補償器的設計思想為：將u1對y2的影響，u2對y1的影響視為擾動，并按前饋補償?shù)姆椒ㄏ龜_動影響。根據(jù)這一思想，計算得出步驟(4.1)中所述的解耦補償器中的傳遞函數(shù)n1和n2，具體實現(xiàn)方式如下：

(4.1.1)u1對y2的影響為：y2＝u1(g21+n1g22)

u2對y1的影響為：y1＝u2(g12+n2g11)

(4.1.2)為了消除u1對y2的影響，u2對y1的影響，可以得到解耦補償器中的n1和n2為：

實施例2

結合圖1，加裝t型翼和壓浪板兩個減搖浮體的三體船采用兩個pd控制器gc1和gc2以及解耦補償器對其進行前饋補償解耦控制。

解耦補償器通過圖2進行設計，基本思想是：將u1對y2的影響，u2對y1的影響視為擾動，并按前饋補償?shù)姆椒ㄏ龜_動影響。

本發(fā)明采用的兩個pd控制器gc1和gc2為了消除升沉和縱搖運動，其表達式如下：

其中，kp1為第一pd控制器gc1的增益，kp2為第二pd控制器gc2的增益，td1為第一pd控制器gc1的時間常數(shù)，td2為第二pd控制器gc2的時間常數(shù)。

在圖1和圖2中，本發(fā)明采用的解耦補償器采用前饋補償解耦法，具體設計步驟如下：將三體船水池拖曳試驗中得到的數(shù)據(jù)以及t型翼和壓浪板提供的升力和升力矩代入到船舶動力學方程中，方程如下所示：

其中，x3為升沉量，x5為縱搖量，m33為升沉質量，m55為縱搖慣性力矩，aij為附加質量，bij為阻尼系數(shù)，cij為恢復系數(shù)，ω為輸入海浪信號，fi為海浪信號作用在船體上的力，γi為海浪信號作用在船體上的相位。

得到加裝t型翼和壓浪板的三體船模型，其傳遞函數(shù)為圖2中的g11、g12、g21、g22。然后根據(jù)消除u1對y2的影響，消除u2對y1的影響這一設計思想，設計解耦補償器中的n1和n2，方法如下：

u1對y2的影響為：y2＝u1(g21+n1g22)

u2對y1的影響為：y1＝u2(g12+n2g11)

為了消除u1對y2的影響，u2對y1的影響，可以得到解耦補償器中的n1和n2為：

對三體船減縱搖解耦控制器閉環(huán)控制系統(tǒng)設計方法過程如下：

步驟一：輸入升沉量給定0m，縱搖量給定0°。

步驟二：將升沉測量模塊采集到的升沉量，縱搖測量模塊采集到的縱搖量分別與給定值比較，差值分別作為兩個pd控制器的輸入量。

步驟三：將pd控制器的輸出作為解耦補償器的兩個輸入變量，解耦補償器將壓浪板和t型翼對升沉和縱搖的影響進行解耦，輸出分別為壓浪板的理論運動角度和t型翼的理論運動角度。

步驟四：將解耦補償器的輸出作為限幅環(huán)節(jié)的輸入，將壓浪板的運動角度限制在0°至15°之間，t型翼的運動角度限制在-15°至15°之間。

步驟五：經過限幅環(huán)節(jié)得到壓浪板和t型翼的實際運動角度，輸入到加裝t型翼和壓浪板的三體船模型中，為三體船提供升力和升力矩，從而使三體船達到減縱搖的控制效果。

以上實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制。需要指出，凡在本發(fā)明原理和原則范圍之內所做的任何修改和改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍內。本發(fā)明針對三體船減縱搖解耦控制器設計的方法，所以適用于任何情況下的三體船減縱搖控制。