專利名稱：船舶雙舵同步控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶航行與姿態(tài)控制技術(shù)，特別涉及一種舵控制方法。
背景技術(shù)：
在船舶姿態(tài)控制中，航向控制是最基本的，航向控制主要是靠控制操舵運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。對(duì)于具有雙舵的船舶而言，當(dāng)船舶直航時(shí)，為了使舵達(dá)到最佳的水動(dòng)力性能，雙舵之 間應(yīng)保持同步運(yùn)動(dòng)。普通雙舵配置船舶在選用操舵裝置時(shí)，通?？紤]的方案是用一臺(tái)推舵 機(jī)構(gòu)，通過(guò)連桿帶動(dòng)兩個(gè)舵柄轉(zhuǎn)動(dòng)。有些特殊船型則無(wú)法采用上述方案，要求兩舵同步轉(zhuǎn)動(dòng) 又不允許有機(jī)械聯(lián)系。這樣，每個(gè)舵柄就得由單獨(dú)的推舵機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)。兩個(gè)舵柄的同步由 電氣液壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常為同步液壓艙機(jī)的功率較大的泵控式舵機(jī)系統(tǒng)。這種同步 液壓舵機(jī)的控制通常有兩種方案一種是雙通道操舵控制方案，即將同一舵角指令信號(hào)分 別傳輸給兩套舵伺服系統(tǒng)，由于兩套舵伺服系統(tǒng)在物理方面總是存在差異的，因此兩舵的 實(shí)際舵角并沒有達(dá)到有效的同步；另一種則是采用常規(guī)的單通道操舵控制，再加一套帶有 PID調(diào)節(jié)器電液伺服同步系統(tǒng)，后者比前者同步精度高。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)現(xiàn)與雙舵同步控制技術(shù)有關(guān)的資料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠使雙舵之間具有較高的同步性的船舶雙舵同步 控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是一種基于變論域模糊理論的PID控制器，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的處理方法具 體包括以下幾個(gè)步驟(1)獲得兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率。(2)調(diào)節(jié)兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率的大小。(3)調(diào)節(jié)量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的大小。(4)獲得常規(guī)PID調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量。(5)獲得合適的舵角補(bǔ)償控制指令信號(hào)。所述的步驟(1)中，包括兩個(gè)舵角誤差的計(jì)算方法，兩個(gè)舵角的誤差變化率的計(jì)
算方法。所述的步驟(1)中兩個(gè)舵角誤差的計(jì)算方法為e = δ cl- δ c2(1)式中，δ。i為Cl舵的舵角檢測(cè)值，δ。2為C2舵的舵角檢測(cè)值，e為兩個(gè)舵的舵角誤差。所述的步驟(1)中兩個(gè)舵角的誤差變化率的計(jì)算方法為ec = e(2)式中，e為兩個(gè)舵的舵角誤差，ec為兩個(gè)舵的舵角誤差變化率。
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所述的步驟(2)中兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率調(diào)整方法為el = e/Ke(3)eel = ec/Kec(4)式中，el和eel分別為調(diào)整后的舵角誤差和誤差變化率，Ke和Κε。為量化因子。所述的步驟(3)中，量化因子Κε、Κε。和比例因子&的大小是通過(guò)一個(gè)子模糊控制 器來(lái)自動(dòng)調(diào)整修正的，其修正規(guī)則為表1 Ke、Kee的修正規(guī)則 表2 Ku的修正規(guī)則 所述的步驟(4)中，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)KpKp Kd的調(diào)整量是通過(guò)PID參數(shù) 模糊控制器獲取的，其模糊規(guī)則為表3 Kp模糊控制規(guī)則表 表4 K1模糊控制規(guī)則表
表5 Kd模糊控制規(guī)則表 所述的步驟(5)中，將獲取的常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)的變化量送入到常規(guī) PID參數(shù)調(diào)節(jié)器中，修改常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)，利用修改后的PID調(diào)節(jié)器得到合 適的舵角補(bǔ)償控制信號(hào)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)采用智能伺服同步技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械同步技術(shù)，滿足了某些特殊船型對(duì)雙 舵同步的需求，為雙舵同步的實(shí)現(xiàn)提供了一種普遍適用的新途徑；(2)采用舵角同步補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使雙舵保持實(shí)際舵角的同步，從而改善自動(dòng)舵系統(tǒng)的 水動(dòng)力性能和船舶的操縱性能；(3)通過(guò)基于變論域模糊PID控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，舵角補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)子模糊控 制器來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整其量化、比例因子來(lái)提高控制精度，通過(guò)論域變化來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊推理的更優(yōu) 控制，有效提高伺服精度，降低同步誤差，具有較強(qiáng)的魯棒性。


圖1為雙舵同步控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖；圖2為變論域模糊PID舵角補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)圖3(a)_(c)為遭遇角30°，不同有義波高時(shí)雙舵同步控制系統(tǒng)仿真結(jié)果，其中圖 3 (a)為有義波高2m時(shí)、圖3 (b)為有義波高4m時(shí)、圖3 (c)為有義波高6m時(shí)；圖4(a)_(c)遭遇角90°，不同有義波高時(shí)雙舵同步控制系統(tǒng)仿真結(jié)果，其中圖 4(a)為有義波高2m時(shí)、圖4(b)為有義波高4m時(shí)、圖4 (c)為有義波高6m時(shí)；圖5(a)_(c)遭遇角150°，不同有義波高時(shí)雙舵同步控制系統(tǒng)仿真結(jié)果，其中圖 5(a)為有義波高2m時(shí)、圖5(b)為有義波高4m時(shí)、圖5 (c)為有義波高6m時(shí)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述如圖1所示，本發(fā)明采用舵角檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)舵角反饋，基于變論域自適應(yīng)模 糊PID舵角偏差補(bǔ)償閉環(huán)控制方案，采用主/從同步控制策略，實(shí)現(xiàn)雙舵同步運(yùn)動(dòng)。指令舵 角信號(hào)分別送入Cl舵伺服系統(tǒng)和C2舵伺服系統(tǒng)，通過(guò)Cl舵角檢測(cè)裝置和C2舵角檢測(cè)裝 置檢測(cè)Cl舵角和C2舵角，視Cl舵為主舵，C2舵為從舵，將C2舵角與Cl舵角的偏差作為 輸入信號(hào)送入基于變論域自適應(yīng)模糊PID舵角同步補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，然后將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào) 送入C2舵伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)C2舵角的補(bǔ)償控制，達(dá)到消除Cl舵角和C2舵角的實(shí)際誤差， 保持機(jī)械舵角同步的目的。如圖2所示，舵角同步補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用基于變論域模糊理論的PID控制器，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 處理方法具體實(shí)施方式
如下(1)獲得兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率。對(duì)檢測(cè)的兩個(gè)舵的實(shí)際舵角進(jìn)行比較，獲取兩個(gè)舵角的誤差，同時(shí)對(duì)兩舵角誤差 求微分，獲取兩個(gè)舵角的誤差變化率。兩個(gè)舵角誤差的計(jì)算方法為e = δ cl- δ c2(1)式中，δ。i為Cl舵的舵角檢測(cè)值，δ。2為C2舵的舵角檢測(cè)值，e為兩個(gè)舵的舵角誤差。兩個(gè)舵角的誤差變化率的計(jì)算方法為ec = e(2)式中，e為兩個(gè)舵的舵角誤差，ec為兩個(gè)舵的舵角誤差變化率。(2)調(diào)節(jié)兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率的大小。兩個(gè)舵角的誤差送入到常規(guī)PID調(diào)節(jié)器中，同時(shí)兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率經(jīng) 過(guò)量化因子的調(diào)節(jié)送入PID參數(shù)模糊控制器和論域調(diào)整器中。兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率的調(diào)整方法為el = e/Ke(3)eel = ec/Kec(4)式中，el和eel分別為調(diào)整后的舵角誤差和誤差變化率，Ke和Κε。為量化因子。(3)調(diào)節(jié)量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的大小。在模糊控制中，量化、比例因子的大小變化實(shí)際上反映了相應(yīng)論域的伸縮變化，且 對(duì)控制效果有明顯的作用。鑒于量化、比例因子對(duì)論域的伸縮作用，以及對(duì)控制的影響，采 用了在不同階段分別采用不同的量化因子和比例因子來(lái)調(diào)整不同階段的控制效果，即在基 本模糊PID控制器基礎(chǔ)上單獨(dú)建立另一個(gè)子模糊控制器來(lái)修正量化因子和比例因子參數(shù)。
6本發(fā)明采用三角型隸屬函數(shù) 在控制器中，設(shè)定輸入量e和ec各自論域的伸縮只與自身變化有關(guān)，則輸入論域 的量化因子Kei和Ke。的模糊規(guī)則就易于確定。表1是Ke、Kec的整定規(guī)則，設(shè)模糊劃分為B、 M、S 禾口 ZE。表1 Ke、Kee的修正規(guī)則 Ku的取值根據(jù)e和ec當(dāng)前取值所反映的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)來(lái)確定，從而決定輸出論域 該進(jìn)行多大程度的擴(kuò)大或者縮小。表2為Ku的修正規(guī)則，其模糊劃分為VB、MB、B、SB、S、VS 和ZE，橫向?yàn)閑相應(yīng)的語(yǔ)言變量，縱向?yàn)閑c相應(yīng)的語(yǔ)言變量。表2 Ku的修正規(guī)則 (4)獲得常規(guī)PID調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量。PID參數(shù)模糊控制器根據(jù)輸入的兩個(gè)舵角誤差和誤差變化率，根據(jù)模糊控制原理 來(lái)獲取常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)I^k1A11的變化量，經(jīng)過(guò)比例因子的調(diào)節(jié)并輸出。PID 參數(shù)模糊控制器的模糊規(guī)則為表3 kP模糊控制規(guī)則表 表4 Ii1模糊控制規(guī)則表
表5 kD模糊控制規(guī)則表
對(duì)KP、K1, Kd的調(diào)節(jié)規(guī)律，形成控制規(guī)則，歸納如下相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則，其模糊規(guī) 則視圖如下所示以上規(guī)則寫成啟發(fā)式語(yǔ)句的形式如下(I)If (Ε is NB)and(EC is NB)then(Δ KP is PB) ( Δ KI is NB)(Δ KD is PS)(2)If (E is NB) and (EC is NM) then ( Δ KP is PB) ( Δ KI is NB) ( Δ KD is NS)
(3)If (E is NB) and (EC is NS) then ( Δ KP is PM) ( Δ KI is NM) ( Δ KD is NB)............... ...(49)If(E is PB)and(EC is PB)then(ΔKP is NB)(ΔKI is PB)(ΔKD is PB)通過(guò)49個(gè)模糊關(guān)系RiG = 1,2,3-,49)的“并”運(yùn)算，可獲得調(diào)整參數(shù)控制規(guī)則 的總的模糊關(guān)系R，即
49 采用mom(平均最大隸屬度法)進(jìn)行解模糊判決。由E，EC及KP，K1, Kd的Fuzzy 子集的隸屬度，再根據(jù)各Fuzzy子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)的Fuzzy調(diào)整規(guī)則模型，運(yùn)用 Fuzzy控制算法的核心，我們將其存入程序存儲(chǔ)器中共查詢。(5)獲得合適的舵角補(bǔ)償控制指令信號(hào)。將獲取的常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)的變化量送入到常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器中， 修改常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)，利用修改后的PID調(diào)節(jié)器得到合適的舵角補(bǔ)償控制 指令信號(hào)。定義KP，K1, Kd參數(shù)調(diào)整算式如下 -KP-KP0+hKP 式中，Kp, K1, Kd是PID控制器的參數(shù)，Kpo, K10, Kdo是KP, K1, Kd的初始參數(shù)，它們通 過(guò)常規(guī)方法得到。在線運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)不斷的檢測(cè)系統(tǒng)的不斷的檢測(cè)系統(tǒng) 的輸出響應(yīng)值，并實(shí)時(shí)的計(jì)算出偏差和偏差變化率，通過(guò)查詢Fuzzy調(diào)整矩陣即可得到KP， K1, Kd三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量Δ KP，AK1, Δ KD，完成對(duì)控制器參數(shù)的調(diào)整，修改后的PID調(diào)節(jié)器 根據(jù)輸入的舵角誤差信號(hào)，進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，得到合適的舵角補(bǔ)償控制指令信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)舵角同步控制。為了驗(yàn)證本發(fā)明所設(shè)計(jì)的船舶變論域自適應(yīng)模糊舵角補(bǔ)償雙舵同步控制系統(tǒng)的 控制效果，分別對(duì)不同海情和浪向角下的情況進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖3、4、5所示。仿 真海情分別為有義波高2m、4m和6m，圖3-圖5給出了遭遇角分別為30°、60°、90°下的 仿真曲線，表6-表8給出了遭遇角分別為30°、60°、90°時(shí)的仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)值，Ε(·)表 示均值，STD( ·)表示標(biāo)準(zhǔn)差，Δ δ代表舵角跟蹤誤差，δ cl代表Cl舵角，δ。2代表C2舵 角，量綱均為度。表6雙舵同步控制系統(tǒng)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)值(有義波高2) 從仿真結(jié)果可以看出(1)對(duì)于船舶變論域自適應(yīng)模糊舵角補(bǔ)償雙舵同步控制系統(tǒng)而言，在有義波高為 2m的情況下，控制器的舵角同步誤差的均方差值都在0. 40度范圍內(nèi)；有義波高為4m的情 況下，控制器的舵角同步誤差的均方差值都在0. 62度范圍內(nèi)；有義波高為6m的情況下，控 制器的舵角同步誤差的均方差值都在0.73度范圍內(nèi)。說(shuō)明船舶變論域自適應(yīng)模糊舵角補(bǔ) 償雙舵同步控制系統(tǒng)可以達(dá)到控制精度要求，具有很好的魯棒性；(2)不同情況下，各種干擾最明顯的影響是加劇了舵角的震蕩，基于變論域模糊 PID控制器的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)兩舵角出現(xiàn)偏差時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)修正舵角偏差，提高了雙舵同 步的精度和靈敏度，利用模糊控制器自動(dòng)修正量化因子和比例因子，有效改善了模糊控制 器的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
權(quán)利要求
一種船舶雙舵同步控制方法，其特征是以一個(gè)舵的舵角為基準(zhǔn)，檢測(cè)兩個(gè)舵的舵角的實(shí)際偏差，將實(shí)際偏差信號(hào)作為舵角同步補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，經(jīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)處理后，得到對(duì)另一個(gè)舵的舵角的補(bǔ)償指令信號(hào)，并將指補(bǔ)償令信號(hào)輸入另一個(gè)舵的伺服系統(tǒng)，形成閉環(huán)反饋控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶雙舵同步控制方法，其特征是所述舵角同步補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 的處理方法具體包括以下幾個(gè)步驟(1)獲得兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率；(2)調(diào)節(jié)兩個(gè)舵角的誤差和誤差變化率的大??；(3)調(diào)節(jié)量化因子Κε、Κε。和比例因子Ku的大小；(4)獲得常規(guī)PID調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量；(5)獲得合適的舵角補(bǔ)償控制指令信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶雙舵同步控制方法，其特征是所述獲得兩個(gè)舵角的誤 差和誤差變化率的方法包括兩個(gè)舵角誤差的計(jì)算方法和兩個(gè)舵角的誤差變化率的計(jì)算方 法；所述兩個(gè)舵角誤差的計(jì)算方法為e = δ cl- δ c2其中，S el為Cl舵的舵角檢測(cè)值，δ。2為C2舵的舵角檢測(cè)值，e為兩個(gè)舵的舵角誤差；所述兩個(gè)舵角的誤差變化率的計(jì)算方法為ec = e其中，e為兩個(gè)舵的舵角誤差，ec為兩個(gè)舵的舵角誤差變化率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船舶雙舵同步控制方法，其特征是所述調(diào)節(jié)兩個(gè)舵角的誤 差和誤差變化率的大小的方法為el = e/Keeel = ec/Kec其中，el和eel分別為調(diào)整后的舵角誤差和誤差變化率，Ke和Κε。為量化因子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的船舶雙舵同步控制方法，其特征是所述調(diào)節(jié)量化因子H 和比例因子Ku的大小中的化因子Ke、Kec和比例因子Ku的大小是通過(guò)一個(gè)子模糊控制器來(lái) 自動(dòng)調(diào)整修正的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的船舶雙舵同步控制方法，其特征是所述獲得常規(guī)PID調(diào)節(jié) 器三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量中常規(guī)PID調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)HpKd的調(diào)整量是通過(guò)PID參數(shù)模糊控 制器獲取的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的船舶雙舵同步控制方法，其特征是所述獲得合適的舵角補(bǔ) 償控制指令信號(hào)中，將獲取的常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)的變化量送入到常規(guī)PID參數(shù) 調(diào)節(jié)器中，修改常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)，利用修改后的PID調(diào)節(jié)器得到合適的舵角 補(bǔ)償控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種船舶雙舵同步控制方法。以一個(gè)舵的舵角為基準(zhǔn)，檢測(cè)兩個(gè)舵的舵角的實(shí)際偏差，將實(shí)際偏差信號(hào)作為舵角同步補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，經(jīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)處理后，得到對(duì)另一個(gè)舵的舵角的補(bǔ)償指令信號(hào)，并將指補(bǔ)償令信號(hào)輸入另一個(gè)舵的伺服系統(tǒng)，形成閉環(huán)反饋控制。本發(fā)明的方法適用于具有雙舵的船舶的航行與姿態(tài)控制。當(dāng)兩舵角出現(xiàn)偏差時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)修正舵角偏差，提高雙舵同步的精度和靈敏度。
文檔編號(hào)G05D1/08GK101881970SQ20101019132
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者劉勝, 宋佳, 常緒成, 李冰, 李高云 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)