一種風帆助航船舶航向控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風帆助航船舶航向控制方法及系統(tǒng)，其方法包括：根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的最佳帆角；檢測風帆在最佳帆角輸出時造成的偏航角，根據(jù)偏航角計算風帆對船舶造成的偏航，并提供補償值；檢測舵機輸出漂角的反饋值，根據(jù)所述反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角的輸出值；根據(jù)所述補償值和舵角的輸出值確定航向。其系統(tǒng)包括風力傳感器、風帆帆角控制裝置、第一帆角傳感器、前饋控制器、漂角傳感器、舵角控制器和舵角伺服裝置。本發(fā)明采用前饋控制，可以提前作出調(diào)整，抑制橫向力的干擾，使航向還未發(fā)生改變時舵就提前動作以補償風帆造成的偏航，最終使船舶行駛在預定航向不變。
【專利說明】一種風帆助航船舶航向控制方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及風帆船舶定向航行，更具體地說，涉及一種風帆助航船舶航向控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]風能是一種永不枯竭的能源。風能具有高效、清潔、無污染的特點，其在大型遠洋散貨船舶上的應用具有十分重要的意義。由于海上的風向和風力經(jīng)常會發(fā)生變化，風帆提供的推力以及橫向力也會隨之變化。橫向力的作用會使得船舶偏離預定航向而導致偏航，使得原本因為風帆輔助推進而節(jié)省下的能量又浪費在了多余的行程上。本發(fā)明旨在以風帆助航大型遠洋散貨船為應用背景，研究風帆助航船舶在風向、風力變化情形下保持預定航向的控制方法。這對風帆助航船舶的應用具有十分重要的理論與現(xiàn)實意義。
[0003]目前，關于船舶航向控制系統(tǒng)方面的成果已經(jīng)比較豐富。針對船舶航向控制系統(tǒng)的控制方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、滑模、自適應PID控制等方法。針對擾動以及模型不確定性的影響下的航向控制方法則有魯棒控制理論。然而，關于風帆助航船舶的航向控制方面的成果卻不多見。有些學者只是把風作為干擾項，至于風力、風向與航向之間的定量分析還未見有分析。另外有些學者考慮的只是固定風向、固定帆角時的航向控制。然而，海上風力、風向是經(jīng)常變化的，帆角也會經(jīng)常變化，這導致風帆提供的推力和橫向力也會經(jīng)常發(fā)生變化，而這直接影響到船舶的航向與航速。此外，一些學者采用反饋控制理論對船舶航向進行控制，這種控制方法的特點是“事后調(diào)節(jié)”，即有了航向偏差才有控制作用，尤其是針對船舶這種大慣性的對象，這種反饋控制雖然能糾正偏航，但還是會產(chǎn)生偏航并且糾正偏航的過程也會非常慢。因此，有必要采用合適的控制方法，對因為風向和風力影響引起的偏航提前判斷并給出控制作用，使得航向還沒發(fā)生變化時就提前補償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種風帆助航船舶航向控制方法及系統(tǒng)，可以使航向還未發(fā)生改變時舵就提前動作以補償風帆造成的偏航，最終使船舶行駛在預定航向不變。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種風帆助航船舶航向控制方法，包括:
[0006]根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的最佳帆角；
[0007]檢測風帆在最佳帆角輸出時造成的偏航角，根據(jù)偏航角計算風帆對船舶造成的偏航，并提供補償值；
[0008]檢測舵機輸出漂角的反饋值，根據(jù)所述反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角的輸出值；
[0009]根據(jù)所述補償值和舵角的輸出值確定航向。
[0010]上述方案中，所述根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的輸出帆角包括:[0011]檢測輸出的帆角的反饋值；
[0012]根據(jù)所述帆角的反饋值和最佳帆角指令改變帆角控制器的輸出值；
[0013]根據(jù)所述帆角控制器的輸出值與變量泵的位移反饋差值對變量油缸的位移進行控制，從而控制變量泵的變量機構(gòu)的擺角，從而控制變量泵的排量，進而控制液壓馬達的轉(zhuǎn)角，最終控制了帆翼的帆角；
[0014]檢測所述變量油缸的位移量并反饋至所述變量泵排量控制裝置的輸入端。
[0015]上述方案中，所述反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角的輸出值采用模糊PID控制包括:
[0016]模糊化，采用二維模糊控制器，輸入變量為給定值與輸出反饋值的偏差以及偏差的變化率；首先將輸入量進行論域變換，然后把得到的數(shù)值通過單值模糊器模糊化，得到一個關于該數(shù)值的隸屬度模糊矢量；
[0017]模糊推理，首先由每條規(guī)則確定一個模糊輸出集合，將每條規(guī)則用隸屬度函數(shù)表述；然后將輸入模糊化后的隸屬度模糊矢量乘以每條規(guī)則隸屬度函數(shù)確定每條規(guī)則的模糊輸出；最后將每條規(guī)則確定的輸出組合起來；
[0018]解模糊，將模糊集上的點向清晰點上映射，得到的模糊輸出乘以比例因子即為P、1、D參數(shù)的動態(tài)改變值。
[0019]上述方案中，所述隸屬度函數(shù)的輸入函數(shù)采用靈敏度較高的三角函數(shù)，即在O值附近的函數(shù)形狀更為密集，輸出函數(shù)采用正三角隸屬函數(shù)。
[0020]本發(fā)明還提供了一種風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)，包括:
[0021]風力傳感器，用于檢測風力和風向；
[0022]風帆帆角控制裝置，用于根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的最佳帆角；
[0023]第一帆角傳感器，用于檢測風帆在最佳帆角輸出時造成的偏航角；
[0024]前饋控制器，用于根據(jù)偏航角計算風帆對船舶造成的偏航，并提供補償值；
[0025]漂角傳感器，檢測舵機輸出漂角的反饋值；
[0026]舵角控制器，根據(jù)所述反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角的輸出值；
[0027]舵角伺服裝置，根據(jù)所述補償值和舵角的輸出值確定舵機的航向。
[0028]上述方案中，所述風帆帆角控制裝置包括:
[0029]第二帆角傳感器，用于檢測輸出的帆角的反饋值；
[0030]帆角控制器，用于根據(jù)所述帆角的反饋值和最佳帆角指令改變帆角控制器的輸出值；
[0031]變量泵排量控制裝置，用于對變量油缸的位移進行控制，從而控制變量泵的變量機構(gòu)的擺角，從而控制變量泵的排量；
[0032]變量泵，用于控制液壓馬達的轉(zhuǎn)角；
[0033]液壓馬達，用于控制帆翼的帆角；
[0034]位移傳感器，用于檢測所述變量油缸的位移量并反饋至所述變量泵排量控制裝置的輸入端。
[0035]上述方案中，所述變量泵排量控制裝置包括依次連接的排量控制器、比例放大器和電液比例閥，所述排量控制器用于根據(jù)所述帆角控制器輸出的指令和所述變量油缸的位移量的反饋值對變量油缸進行控制。[0036]上述方案中，所述舵角控制器采用模糊PID控制，其包括:
[0037]模糊化單元，其輸入變量為給定值與輸出反饋值的偏差以及偏差的變化率；所述模糊化單元用于將輸入量進行論域變換，然后把得到的數(shù)值通過單值模糊器模糊化，得到一個關于該數(shù)值的隸屬度模糊矢量；
[0038]模糊推理單元，用于由每條規(guī)則確定一個模糊輸出集合，將每條規(guī)則用隸屬度函數(shù)表述；然后將輸入模糊化后的隸屬度模糊矢量乘以每條規(guī)則隸屬度函數(shù)確定每條規(guī)則的模糊輸出；最后將每條規(guī)則確定的輸出組合起來；
[0039]解模糊單元，用于將模糊集上的點向清晰點上映射，得到的模糊輸出乘以比例因子即為P、1、D參數(shù)的動態(tài)改變值。
[0040]上述方案中，所述排量控制器為副控制器，采用經(jīng)典的PID控制算法。
[0041]上述方案中，所述隸屬度函數(shù)的輸入函數(shù)采用靈敏度較高的三角函數(shù)，即在O值附近的函數(shù)形狀更為密集，輸出函數(shù)采用正三角隸屬函數(shù)。
[0042]實施本發(fā)明的風帆助航船舶航向控制方法及系統(tǒng)，具有以下有益效果:
[0043]本發(fā)明采用前饋控制，可以提前作出調(diào)整，抑制橫向力的干擾，使航向還未發(fā)生改變時舵就提前動作以補償風帆造成的偏航，最終使船舶行駛在預定航向不變。本發(fā)明可以充分利用風能，既能有效的降低船舶的運營成本，減少石化能源的燃燒，降低碳排放，同時也符合當前節(jié)能降耗的船舶工業(yè)發(fā)展原則。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中:
[0045]圖1是本發(fā)明風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)框圖；
[0046]圖2是風帆帆角控制裝置的框圖；
[0047]圖3是控制算法的研究路線圖；
[0048]圖4為模糊控制器的框圖。
【具體實施方式】
[0049]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0050]本發(fā)明風帆助航船舶航向控制方法，包括:
[0051]步驟S1、根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的最佳帆角；
[0052]步驟S2、檢測風帆在最佳帆角輸出時造成的偏航角，根據(jù)偏航角計算風帆對船舶造成的偏航，并提供補償值；
[0053]步驟S3、檢測舵機輸出漂角的反饋值，根據(jù)反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角的輸出值；
[0054]步驟S4、根據(jù)補償值和舵角的輸出值確定航向。
[0055]其中，步驟SI進一步包括:
[0056]步驟SI 1、檢測輸出的帆角的反饋值；
[0057]步驟S12、根據(jù)帆角的反饋值和最佳帆向角的指令改變帆角控制器的輸出值；
[0058]步驟S13、根據(jù)帆角控制器的輸出與變量泵的位移反饋差值對變量油缸的位移進行控制，從而控制變量泵的變量機構(gòu)的擺角，從而控制變量泵的排量，進而控制液壓馬達的轉(zhuǎn)角，最終控制了帆翼的帆角；
[0059]步驟S14、檢測變量油缸的位移量并反饋至變量泵排量控制裝置的輸入端。
[0060]進一步的，步驟S3以及S12均采用模糊控制，包括以下三個步驟:
[0061]模糊化，采用二維模糊控制器，輸入變量為給定值與輸出反饋值的偏差以及偏差的變化率；首先將輸入量進行論域變換，然后把得到的數(shù)值通過單值模糊器模糊化，得到一個關于該數(shù)值的隸屬度模糊矢量；
[0062]模糊推理，首先由每條規(guī)則確定一個模糊輸出集合，將每條規(guī)則用隸屬度函數(shù)表述；然后將輸入模糊化后的隸屬度模糊矢量乘以每條規(guī)則隸屬度函數(shù)確定每條規(guī)則的模糊輸出；最后將每條規(guī)則確定的輸出組合起來；隸屬度函數(shù)的輸入函數(shù)采用靈敏度較高的三角函數(shù)，即在O值附近的函數(shù)形狀更為密集，輸出函數(shù)采用正三角隸屬函數(shù)；
[0063]解模糊，將模糊集上的點向清晰點上映射，得到的模糊輸出乘以比例因子即為P、
1、D參數(shù)的動態(tài)改變值。
[0064]如圖1所示，本發(fā)明風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)包括風力傳感器、風帆帆角控制裝置、第一帆角傳感器、前饋控制器、漂角傳感器、舵角控制器和舵角伺服裝置。
[0065]其中，風力傳感器，用于檢測風力和風向。風帆帆角控制裝置，用于根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的最佳帆角。第一帆角傳感器，用于檢測風帆在最佳帆角輸出時造成的偏航角。前饋控制器，用于根據(jù)偏航角計算風帆對船舶造成的偏航，并提供補償值。漂角傳感器，檢測舵機輸出漂角的反饋值。舵角控制器，根據(jù)反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角的輸出值。舵角伺服裝置，根據(jù)補償值和舵角的輸出值確定舵機的航向。
[0066]如圖2所示，進一步的，風帆帆角控制裝置包括第二帆角傳感器、帆角控制器、變量泵排量控制裝置、變量泵、液壓馬達和位移傳感器。
[0067]其中，第二帆角傳感器，用于檢測輸出的帆角的反饋值。帆角控制器，采用模糊控制，用于根據(jù)帆角的反饋值和最佳帆角指令改變帆角控制器的輸出值。變量泵排量控制裝置，用于對變量油缸的位移進行控制，從而控制變量泵的變量機構(gòu)的擺角，從而控制變量泵的排量。變量泵，用于控制液壓馬達的轉(zhuǎn)角。液壓馬達，用于控制帆翼的帆角。位移傳感器，用于檢測變量油缸的位移量并反饋至變量泵排量控制裝置的輸入端。液壓馬達與減速器和帆翼偏航系統(tǒng)連接。
[0068]進一步的，變量泵排量控制裝置包括依次連接的排量控制器、比例放大器和電液比例閥，排量控制器用于根據(jù)帆角控制器輸出的指令和變量油缸的位移量的反饋值對變量油缸進行控制。排量控制器為副控制器，采用經(jīng)典的PID控制算法。
[0069]如圖4所示，進一步的，舵角控制器和帆角控制器采用模糊PID控制，都包括模糊化單元、模糊推理單元和解模糊單元。其中，
[0070]模糊化單元，其輸入變量為給定值與輸出反饋值的偏差以及偏差的變化率；模糊化單元用于將輸入量進行論域變換，然后把得到的數(shù)值通過單值模糊器模糊化，得到一個關于該數(shù)值的隸屬度模糊矢量；
[0071]模糊推理單元，用于由每條規(guī)則確定一個模糊輸出集合，將每條規(guī)則用隸屬度函數(shù)表述；然后將輸入模糊化后的隸屬度模糊矢量乘以每條規(guī)則隸屬度函數(shù)確定每條規(guī)則的模糊輸出；最后將每條規(guī)則確定的輸出組合起來；隸屬度函數(shù)的輸入函數(shù)米用靈敏度較高的三角函數(shù)，即在O值附近的函數(shù)形狀更為密集，輸出函數(shù)采用正三角隸屬函數(shù)；
[0072]解模糊單元，用于將模糊集上的點向清晰點上映射，得到的模糊輸出乘以比例因子即為P、1、D參數(shù)的動態(tài)改變值。
[0073]本發(fā)明采用前饋控制，可以提前作出調(diào)整，抑制橫向力的干擾，使航向還未發(fā)生改變時舵就提前動作以補償風帆造成的偏航，最終使船舶行駛在預定航向不變。本發(fā)明可以充分利用風能，既能有效的降低船舶的運營成本，減少石化能源的燃燒，降低碳排放，同時也符合當前節(jié)能降耗的船舶工業(yè)發(fā)展原則。
[0074]由于船舶、舵、帆等裝置本身都是具有比較復雜的動態(tài)特性，其模型參數(shù)具有不確定性，并且在海洋條件下，船舶航向也會受到海浪和洋流等不確定因素的影響。因此，在航向控制過程中，盡可能需要對舵采取最優(yōu)控制以達到控制過程中能耗最低目的同時保持系統(tǒng)的控制性能指標。采用模糊控制使得船舶航向能夠快速穩(wěn)定的跟蹤給定航向。
[0075]本發(fā)明擬先對研究對象進行分析，研究出合適的控制系統(tǒng)與控制算法，并采用MATLAB進行仿真驗證。具體技術(shù)方案如圖3所示，首先選擇合適的帆型，對帆型和舵機模型進行分析，建立它們的運動方程；對于風帆的受力特點，從空氣動力學的角度得到它的風力、風向、帆角、航向之間的關系；對于風帆以及舵機的模型選用已有的，它們的運動方程也是在一系列實驗數(shù)據(jù)基礎上得到的。因此，在仿真過程中，直接可以表示出來，只需要設計控制器；控制器的設計包括前饋-反饋復合控制和帆角控制，控制器的算法采用經(jīng)典PID控制和模糊PID控制。由于模糊PID控制為PID參數(shù)自調(diào)節(jié)控制，可以動態(tài)改變P、1、D三個參數(shù)。因此，相比經(jīng)典PID控制，它可以達到更好的動態(tài)效果；最后對系統(tǒng)模糊規(guī)則進行調(diào)試以及仿真。
[0076]針對上述方案路線，本發(fā)明根據(jù)一些參考文獻的實驗數(shù)據(jù)，對此設計作了一些具體研究。其中風帆選用矩形帆翼，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理，可以得到帆翼在表觀風向角為Θ時的最佳帆向角在matlab中采用plot函數(shù)對這些數(shù)字量進行曲線擬合得到模擬的數(shù)據(jù)關系，對于任一的表觀風向角都有一個對應的最佳帆向角。對于舵機部分，根據(jù)參考文獻分析其工作特點，然后基于野本模型``可以建立其運動方程，得到舵角h到漂角V的近似一階野本模型。
【權(quán)利要求】
1.一種風帆助航船舶航向控制方法，其特征在于，包括: 根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的最佳帆角； 檢測風帆在最佳帆角輸出時造成的偏航角，根據(jù)偏航角計算風帆對船舶造成的偏航，并提供補償值； 檢測舵機輸出漂角的反饋值，根據(jù)所述反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角的輸出值； 根據(jù)所述補償值和舵角的輸出值確定航向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風帆助航船舶航向控制方法，其特征在于，所述根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的輸出帆角包括: 檢測輸出的帆角的反饋值； 根據(jù)所述帆角的反饋值和最佳帆角指令改變帆角控制器的輸出值； 根據(jù)所述帆角控制器的輸出值與變量泵的位移反饋差值對變量油缸的位移進行控制，從而控制變量泵的變量機構(gòu)的擺角，從而控制變量泵的排量，進而控制液壓馬達的轉(zhuǎn)角，最終控制了帆翼的帆角； 檢測所述變量油缸的位移量并反饋至所述變量泵排量控制裝置的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風帆助航船舶航向控制方法，其特征在于，所述反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角 的輸出值采用模糊PID控制包括: 模糊化，采用二維模糊控制器，輸入變量為給定值與輸出反饋值的偏差以及偏差的變化率；首先將輸入量進行論域變換，然后把得到的數(shù)值通過單值模糊器模糊化，得到一個關于該數(shù)值的隸屬度模糊矢量； 模糊推理，首先由每條規(guī)則確定一個模糊輸出集合，將每條規(guī)則用隸屬度函數(shù)表述；然后將輸入模糊化后的隸屬度模糊矢量乘以每條規(guī)則隸屬度函數(shù)確定每條規(guī)則的模糊輸出；最后將每條規(guī)則確定的輸出組合起來； 解模糊，將模糊集上的點向清晰點上映射，得到的模糊輸出乘以比例因子即為P、1、D參數(shù)的動態(tài)改變值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風帆助航船舶航向控制方法，其特征在于，所述隸屬度函數(shù)的輸入函數(shù)采用靈敏度較高的三角函數(shù)，即在O值附近的函數(shù)形狀更為密集,輸出函數(shù)采用正三角隸屬函數(shù)。
5.一種風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)，其特征在于，包括: 風力傳感器，用于檢測風力和風向； 風帆帆角控制裝置，用于根據(jù)風力和風向調(diào)整風帆的最佳帆角； 第一帆角傳感器，用于檢測風帆在最佳帆角輸出時造成的偏航角； 前饋控制器，用于根據(jù)偏航角計算風帆對船舶造成的偏航，并提供補償值； 漂角傳感器，檢測舵機輸出漂角的反饋值； 舵角控制器，根據(jù)所述反饋值和航向給定值之間的誤差改變舵角的輸出值； 舵角伺服裝置，根據(jù)所述補償值和舵角的輸出值確定舵機的航向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)，其特征在于，所述風帆帆角控制裝置包括: 第二帆角傳感器，用于檢測輸出的帆角的反饋值；帆角控制器，用于根據(jù)所述帆角的反饋值和最佳帆角指令改變帆角控制器的輸出值； 變量泵排量控制裝置，用于對變量油缸的位移進行控制，從而控制變量泵的變量機構(gòu)的擺角，從而控制變量泵的排量； 變量泵，用于控制液壓馬達的轉(zhuǎn)角； 液壓馬達，用于控制帆翼的帆角； 位移傳感器，用于檢測所述變量油缸的位移量并反饋至所述變量泵排量控制裝置的輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)，其特征在于，所述變量泵排量控制裝置包括依次連接的排量控制器、比例放大器和電液比例閥，所述排量控制器用于根據(jù)所述帆角控制器輸出的指令和所述變量油缸的位移量的反饋值對變量油缸進行控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風帆帆角控制系統(tǒng)，其特征在于，所述舵角控制器采用模糊PID控制，其包括: 模糊化單元，其輸入變量為給定值與輸出反饋值的偏差以及偏差的變化率；所述模糊化單元用于將輸入量進行論域變換，然后把得到的數(shù)值通過單值模糊器模糊化，得到一個關于該數(shù)值的隸屬度模糊矢量； 模糊推理單元，用于由每條規(guī)則確定一個模糊輸出集合，將每條規(guī)則用隸屬度函數(shù)表述；然后將輸入模糊化后的隸屬度模糊矢量乘以每條規(guī)則隸屬度函數(shù)確定每條規(guī)則的模糊輸出；最后將每條規(guī)則確定的輸出組合起來； 解模糊單元，用于將模糊集上的點向清晰點上映射，得到的模糊輸出乘以比例因子即為P、1、D參數(shù)的動態(tài)改變值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變量泵`排量控制裝置，其特征在于，所述排量控制器為副控制器，采用經(jīng)典的PID控制算法。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風帆帆角控制方法，其特征在于，所述隸屬度函數(shù)的輸入函數(shù)采用靈敏度較高的三角函數(shù)，即在O值附近的函數(shù)形狀更為密集，輸出函數(shù)采用正三角隸屬函數(shù)。
【文檔編號】G05D1/02GK103558854SQ201310542379
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】李向舜, 楊幸, 嚴新平, 陳順懷, 徐立 申請人:武漢理工大學