一種主動抑制參數(shù)橫搖的船舶航跡跟蹤預(yù)測控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于船舶航跡跟蹤控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種主動抑制參數(shù)橫搖的船舶航跡跟蹤預(yù)測控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶航跡跟蹤控制的目的，是使船舶以一定的航速跟隨一條給定的參考路徑，又稱之為船舶的路徑跟隨問題。傳統(tǒng)意義上的船舶自動駕駛系統(tǒng)，目的是讓船首方向和期望航向保持一致，稱之為航向保持控制，船舶的船首方向由陀螺儀測出。如今，可以通過全球定位系統(tǒng)(GPS)得到船舶的位置信號(經(jīng)度和瑋度)，這樣就可以使船舶的航跡和給定的參考航跡保持一致，實(shí)現(xiàn)航跡跟蹤控制。實(shí)現(xiàn)航跡跟蹤控制最先想到的方法是，通過航向保持控制使船舶的船首方向跟隨不斷改變的期望航向，從而使船舶沿預(yù)設(shè)的參考航跡航行。事實(shí)上目前許多商用的船舶航跡跟蹤控制器就是采用這種思想設(shè)計(jì)出的。但是，這種控制方式的控制精度比較低，當(dāng)船舶執(zhí)行諸如海底電纜敷設(shè)、海底探礦、掃雷等任務(wù)時(shí)，高精度的航跡跟蹤控制對船舶的安全航行有著非常重要的意義，所以基于GPS信號的航跡跟蹤控制策略也越來越受到重視。
[0003]船舶航行時(shí)，當(dāng)縱搖方向的自由振蕩頻率接近橫搖方向的自由振蕩頻率的二倍時(shí)，會激發(fā)大幅度的參數(shù)橫搖共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響船舶航行的安全性，甚至導(dǎo)致船舶傾覆，造成生命財(cái)產(chǎn)損失。近些年，又發(fā)生了多起因參數(shù)橫搖引起的重大船舶傾覆事故，隨后的研宄證明，參數(shù)橫搖是引起船舶傾覆的重要因素之一。國際海事組織(MO)因此對其完整性規(guī)則進(jìn)行重新評估，新的衡準(zhǔn)中包括三種典型傾覆現(xiàn)象之一的參數(shù)橫搖。國際拖曳水池委員會(ITTC)也把隨機(jī)波中的參數(shù)橫搖作為主要研宄任務(wù)之一。2008年7月?2009年3月，歐盟SAFEDOR執(zhí)行了波浪中參數(shù)橫搖試驗(yàn)基準(zhǔn)研宄，其中就考慮了隨機(jī)波中參數(shù)橫搖?？梢姡诖昂桔E跟蹤控制過程中，如何有效預(yù)測并避免參數(shù)橫搖的發(fā)生，具有重要的研宄價(jià)值和實(shí)際意義。
[0004]船舶的航跡跟蹤控制過程和參數(shù)橫搖共振過程，都是典型的復(fù)雜非線性控制過程，受到風(fēng)力、浪力、洋流等多種不確定、不可抗拒自然力的影響，能夠精確描述其動態(tài)特性的物理模型卻難以得到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種主動抑制參數(shù)橫搖的船舶航跡跟蹤預(yù)測控制方法，旨在解決現(xiàn)有船舶航跡跟蹤控制過程中航跡跟蹤控制過程和參數(shù)橫搖共振過程描述不精確的問題。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種主動抑制參數(shù)橫搖的船舶航跡跟蹤預(yù)測控制方法，用于在船舶航行過程中，控制器主動權(quán)衡航跡跟蹤控制精度和參數(shù)橫搖抑制之間的比重，當(dāng)發(fā)生參數(shù)橫搖共振時(shí)，用舵力產(chǎn)生橫搖力矩增大橫搖動阻，犧牲部分跟蹤控制精度以避免船舶傾覆事故的發(fā)生，所述控制方法包括以下步驟:
[0007]構(gòu)建多變量多指數(shù)RBF-ARX模型，綜合描述船舶在航跡跟蹤過程中，首搖角偏差、位置跟蹤誤差、舵角、航速及橫搖角之間的動態(tài)關(guān)系；
[0008]在RBF-ARX模型建模理論的統(tǒng)一框架下，對船舶的參數(shù)橫搖過程進(jìn)行分析，構(gòu)建參數(shù)橫搖過程的預(yù)報(bào)模型；
[0009]以模型的長期預(yù)測性能、一定時(shí)域的短期預(yù)測性能和轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)性能為考核指標(biāo)，對建模性能進(jìn)行評估。
[0010]優(yōu)選地，所述多變量多指數(shù)RBF-ARX模型的構(gòu)建包括以下步驟:
[0011]將I輸入3輸出的欠驅(qū)動系統(tǒng)，分成航向子系統(tǒng)、航跡子系統(tǒng)和橫搖子系統(tǒng)三個(gè)單輸入單輸出的子系統(tǒng)；其中，三個(gè)子系統(tǒng)的輸入量均為船舶舵角，輸出量分別為船舶的首搖角偏差、位置跟蹤誤差和船舶橫搖角，或輸出量分別為船舶的首搖角偏差、位置跟蹤誤差和橫搖角速度；
[0012]為每個(gè)子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)出各種可行的RBF-ARX模型結(jié)構(gòu)，給出多種模型指數(shù)選擇方案，綜合考慮影響參數(shù)橫搖預(yù)報(bào)性能的多種因素，選擇最優(yōu)的模型結(jié)構(gòu)和模型指數(shù)；
[0013]確定所述模型結(jié)構(gòu)和模型指數(shù)后，考慮I輸入3輸出欠驅(qū)動RBF-ARX模型的辨識方案，建立通用的多變量多指數(shù)RBF-ARX模型參數(shù)優(yōu)化方法，將線性參數(shù)和非線性參數(shù)分開辨識。
[0014]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種主動抑制參數(shù)橫搖的船舶航跡跟蹤預(yù)測控制方法，采用統(tǒng)計(jì)建模的方法，分別對這船舶的航跡跟蹤控制過程和參數(shù)橫搖共振過程進(jìn)行描述，兼顧高精度的船舶航跡跟蹤控制和有效避免參數(shù)橫搖的發(fā)生這兩方面的性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)得到。船舶在民用和軍用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，通過本發(fā)明能夠?qū)ξ覈慕?jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明主動抑制參數(shù)橫搖的船舶航跡跟蹤預(yù)測控制方法的步驟流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0017]一種主動抑制參數(shù)橫搖的船舶航跡跟蹤預(yù)測控制方法，如圖1所示，包括以下步驟:
[0018]S1、構(gòu)建多變量多指數(shù)RBF-ARX模型，綜合描述船舶在航跡跟蹤過程中，首搖角偏差、位置跟蹤誤差、舵角、航速及橫搖角之間的動態(tài)關(guān)系。
[0019]在步驟SI中，以東京海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)船舶“汐路丸”為研宄對象，構(gòu)建多變量多指數(shù)RBF-ARX模型，綜合描述船舶在航跡跟蹤過程中，首搖角偏差、位置跟蹤誤差、舵角、航速及橫搖角之間的動態(tài)關(guān)系。
[0020]模型指數(shù)表征了系統(tǒng)非線性特性的變化趨勢，即模型的動態(tài)特性隨模型指數(shù)的變化而變化。以往的研宄中，無論對單變量系統(tǒng)還是對多變量系統(tǒng)，都只選擇則一組模型指數(shù)來表征整個(gè)系統(tǒng)的非線性動態(tài)特性。而本發(fā)明的船舶航跡跟蹤過程由多個(gè)特性不同的子系統(tǒng)構(gòu)成，應(yīng)該為不同的子系統(tǒng)選擇不同的模型指數(shù)。并且，對每個(gè)單變量子系統(tǒng)的輸入、輸出自回歸部分，也要