一種基于綜合減搖混沌系統(tǒng)的pid控制器優(yōu)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及的是一種船舶減搖控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著船舶橫搖運(yùn)動(dòng)理論飛速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者利用非線性理論及方法開始對船舶 減搖過程中出現(xiàn)大量復(fù)雜非線性現(xiàn)象進(jìn)行研宄分析?；煦缋碚摷盎煦缈刂评碚摰陌l(fā)展為船 舶橫搖運(yùn)動(dòng)分析提供了新思路。
[0003] C. Novara-L. Fagiano提出利用直接反饋控制設(shè)計(jì)非線性系統(tǒng)，克服由非線性參數(shù) 變化給設(shè)計(jì)帶來困難，李天偉利用矩形脈沖對船舶航向運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行微擾控制取得良好控 制效果，張惠采用數(shù)值分析方法指出結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對機(jī)翼非線性系統(tǒng)混沌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響， 為利用改變結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)混沌特性有效控制提供參考依據(jù)。
[0004] 大連海事大學(xué)的馬磊和張顯庫在船舶力學(xué)（第17卷第7期，2013年7 月，P741-747.)上面發(fā)表了《基于混沌分析的船舶參數(shù)激勵(lì)橫搖運(yùn)動(dòng)及其減搖鰭控制研 宄》，文章運(yùn)用李雅普諾夫指數(shù)（Lyapunov)和Welch法對船舶參數(shù)激勵(lì)橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行混純 分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)參數(shù)激勵(lì)頻率接近2倍于船舶固有橫搖頻率時(shí)，船舶參數(shù)激勵(lì)橫搖運(yùn)動(dòng)出現(xiàn) 混沌現(xiàn)象，船舶出現(xiàn)大幅橫搖甚至有傾覆危險(xiǎn)。而后利用Backstepping方法和閉環(huán)增益成 形算法設(shè)計(jì)出減搖鰭控制器抵消參數(shù)激勵(lì)和外界海浪干擾產(chǎn)生的船舶大幅橫搖，使船舶最 終擺脫混沌，處于穩(wěn)定的安全狀態(tài)。由于該減搖鰭控制器只有在高航速下減搖效果較好。但 是，在低航速下，減搖鰭控制系統(tǒng)不能正常工作，會(huì)影響實(shí)際控制效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供能明顯提高控制系統(tǒng)性能的一種基于綜合減搖混沌系統(tǒng) 的PID控制器優(yōu)化控制方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明一種基于船舶綜合減搖混沌系統(tǒng)的PID控制器優(yōu)化控制方法，其特征是： [0008] (1)建立綜合減搖系統(tǒng)模型，以海浪波傾角作為綜合減搖系統(tǒng)輸入：
[0009] 船舶同時(shí)裝備減搖鰭和被動(dòng)式減搖水艙，減搖鰭產(chǎn)生扶正力矩乂.= .40++ 時(shí)，綜合減搖系統(tǒng)模型為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于船舶綜合減搖混沌系統(tǒng)的PID控制器優(yōu)化控制方法，其特征是： (1) 建立綜合減搖系統(tǒng)模型，以海浪波傾角作為綜合減搖系統(tǒng)輸入： 船舶同時(shí)裝備減搖鰭和被動(dòng)式減搖水艙，減搖鰭產(chǎn)生扶正力矩=.40+時(shí)， 綜合減搖系統(tǒng)模型為：
k為自減 搖鰭上水動(dòng)力壓力中心到船舶重心的作用力臂，Pt為海水密度，V為航速，Af為減搖鰭的 投影面積，^為升力系數(shù)斜率，Φ為橫搖角，_為橫搖角速度，g為橫搖角加速度，Kh為
航速調(diào)節(jié)系數(shù)，Kp KP、Kd為PID參數(shù)，分別夕
，F(xiàn) 為常數(shù)，Κω = Dh a eC0S ω t 為 擾動(dòng)力矩，I1為相對于通過船舶重心的縱軸的慣量和附加慣量之和，
為艙內(nèi) 液體對橫搖軸的質(zhì)量慣性矩，S為沿水艙軸線的法線方向的局部截面積，r為微質(zhì)量dm的質(zhì) 心到橫搖軸的距離微質(zhì)量，％為船舶阻尼系數(shù)，D為排水量，h'為加入水艙后穩(wěn)心高，Pt 為海水密度，Stl為邊艙自由液面面積，
為水艙軸線對橫搖軸的靜壓力矩，γ 為r與d之間的夾角，dl為液體微體積沿水艙軸線的長度，1為U型水艙軸線長度，ζ為邊 艙內(nèi)水位高度，
為艙內(nèi)水柱相當(dāng)長度，Nt為水艙阻尼系數(shù)，R為邊艙中至船舶 縱中刨面的水平距離，g為重力加速度； (2) 將綜合減搖系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為綜合減搖混沌系統(tǒng)模型，并利用相圖及Lyapunov指數(shù) 譜分析方法驗(yàn)證綜合減搖系統(tǒng)模型具有混沌特性： 將綜合減搖系統(tǒng)模型的表達(dá)式進(jìn)行無量綱化得：
令X1= φ，X2 =0，X3= z，X4 =?，將無量綱化方程轉(zhuǎn)化為綜合減搖混純系統(tǒng)模型方 程：
(3) 對綜合減搖混沌系統(tǒng)模型進(jìn)行混沌控制： 利用分段二次函數(shù)χ|χ|作為產(chǎn)生混沌的發(fā)生器，選擇系統(tǒng)李雅普諾夫指數(shù)都為非正 所對應(yīng)的分岔K參數(shù)作該船舶綜合減搖混沌系統(tǒng)的非線性反饋控制器，并應(yīng)用于船舶綜合 減搖混沌系統(tǒng)中進(jìn)行反饋操作，使船舶綜合減搖混沌系統(tǒng)尋找不穩(wěn)定周期軌道，同時(shí)實(shí)現(xiàn) 混沌系統(tǒng)的有效控制，對步驟（2)中的綜合減搖混沌系統(tǒng)模型進(jìn)行混沌控制，參數(shù)與綜合 減搖混沌系統(tǒng)模型方程相同，此時(shí)混沌控制方程為：
式中：K為混沌系統(tǒng)模型的分岔參數(shù)； (4) 采用混沌算法與蟻群算法相結(jié)合的方法，對PID參數(shù)Kp、心和K ,進(jìn)行調(diào)整和尋優(yōu)： 首先利用蟻群算法初步確定最優(yōu)解所在范圍的大??；然后使用混沌優(yōu)化算法在全局最 優(yōu)螞蟻周圍進(jìn)行混沌搜索，若找到優(yōu)于當(dāng)前最優(yōu)螞蟻的解，則用它來替換當(dāng)前的全局最優(yōu) 螞蟻，計(jì)算更新過的最優(yōu)螞蟻的路徑，便得到最優(yōu)值； (5) 優(yōu)化綜合減搖混純系統(tǒng)輸出的橫搖角Φ : 通過步驟（4)得到的最優(yōu)PID參數(shù)Kp、KJPKd，優(yōu)化綜合減搖混沌系統(tǒng)輸出的橫搖角 Φ，從而使得綜合減搖混沌系統(tǒng)減搖效率達(dá)到75%以上，否則重復(fù)執(zhí)行步驟（4)和（5)，利 用混沌蟻群算法進(jìn)行PID參數(shù)優(yōu)化，直到減搖效率達(dá)到75%以上，其中，減搖效率R計(jì)算公 式為·
式中：瓦:為未安裝減搖鰭時(shí)橫搖角平均值；》為安裝減搖鰭時(shí)橫搖角平均值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于船舶綜合減搖混沌系統(tǒng)的PID控制器優(yōu)化控制方 法，其特征是： 利用混沌算法與蟻群算法相結(jié)合對PID控制器參數(shù)的尋優(yōu)過程如下： (1) PID控制參數(shù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為混沌蟻群算法優(yōu)化問題： 首先把控制器的控制參數(shù)Kp、Kp Kd可轉(zhuǎn)換成組合尋優(yōu)的問題，將控制參數(shù)值視為5位 有效數(shù)字，待尋參數(shù)（Kp，Ki,Kd)組成15位的數(shù)字序列記為{ Ci，i = 1，2··· 15}，每個(gè)Ci取值 y」{j = 1，2··· 9}，因此每次序列可以在Kci, y』）I i = 1，2··· 15, j = 1，2…9}組成區(qū)域中表 示，即這個(gè)序列就是人工螞蟻的一條路徑； (2) 目標(biāo)函數(shù)的建立 采用改進(jìn)ITAE性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)：
其中，P為調(diào)節(jié)因子，一般取P大于1，可根據(jù)實(shí)際問題適當(dāng)調(diào)整； (3) 路徑的構(gòu)建 當(dāng)螞蟻從（(V1A)爬行到下一個(gè)（Ci，yP結(jié)點(diǎn)按照隨機(jī)比例概率進(jìn)行選擇，當(dāng)所有螞 蟻到達(dá)（15, yp即實(shí)現(xiàn)一次循環(huán)，在此過程中，假設(shè)螞蟻爬行相鄰結(jié)點(diǎn)所用時(shí)間是相等的， 與路徑無關(guān)，則螞蟻從（(V 1, h)爬行到下一個(gè)（Ci，yP結(jié)點(diǎn)是按式下式作為選擇路徑的概 率：
式中：Pk (Ci, yj, t)表示t時(shí)刻螞蟻從（Cp1, yp爬行到下一個(gè)（Ci, yj的點(diǎn)率， τ (Ci, y』，t)為t時(shí)亥Ij (Ci, y』）結(jié)點(diǎn)上的信息量，n (Ci, y』，t)為t時(shí)亥Ij (Ci, y』）結(jié)點(diǎn)上的能 見度； (4) 信息素 的更新，確定最優(yōu)螞蟻： 當(dāng)全部螞蟻從原點(diǎn)出發(fā)，15個(gè)單位時(shí)間過后，每只螞蟻都爬到終點(diǎn)，計(jì)算各螞蟻的路徑 長度，尋找當(dāng)前的最優(yōu)解，即為最優(yōu)螞蟻； (5) 利用混沌算法對在全局最優(yōu)螞蟻周圍進(jìn)行混沌搜索，得到最優(yōu)解： 利用混沌算法對在全局最優(yōu)螞蟻周圍進(jìn)行混沌搜索，若找到優(yōu)于當(dāng)前最優(yōu)螞蟻的解， 則用它來替換當(dāng)前的全局最優(yōu)螞蟻，計(jì)算更新過的最優(yōu)螞蟻，便得到最優(yōu)值，若未找到優(yōu)于 當(dāng)前最優(yōu)螞蟻的解，則當(dāng)前螞蟻的解為最優(yōu)值。
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種基于綜合減搖混沌系統(tǒng)的PID控制器優(yōu)化控制方法，針對船舶減搖問題，對綜合減搖系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型方程進(jìn)行分析，得到該系統(tǒng)為混沌系統(tǒng)。利用相圖與Lyapunov指數(shù)譜分析方法，驗(yàn)證該系統(tǒng)在特定條件下的混沌行為，通選取受控參數(shù)，利用非線性反饋控制方法使系統(tǒng)的混沌行為得到有效控制。本發(fā)明不僅使系統(tǒng)混沌動(dòng)力學(xué)行為得到了改善，還保留系統(tǒng)原有的動(dòng)力學(xué)特性。將混沌搜索算法與蟻群算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對PID控制參數(shù)尋優(yōu)，使混沌蟻群算法不僅具備較強(qiáng)全局優(yōu)化能力，同時(shí)還加快了系統(tǒng)收斂速度，從而使控制系統(tǒng)性能得到明顯提高。對于有效設(shè)計(jì)出船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的控制器設(shè)備具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】B63B39-06, B63B39-00
【公開號】CN104527944
【申請?zhí)枴緾N201410653259
【發(fā)明人】于立君, 劉少英, 王輝, 陳佳, 張波波, 關(guān)作鈺, 王正坤, 李灝
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年11月17日