一种船用舵鳍联合减摇控制系统的制作方法

技术特征：
1.本发明提出了一种改进模型预测控制抗干扰的舵鳍联合减摇控制系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、构建考虑时变干扰的离散线性化的船舶三自由度(横摇、艏摇、横荡)数学模型：选取采样k(k>0)时刻的状态变量v、r、ρ、φ分别为横荡速度、艏摇角速度、艏摇角、横摇角速度、横摇角，右上标t代表矩阵转置，x(k 1)为k 1时刻的状态变量，控制输入量u(k)＝[δ α]
t
，δ、α分别为舵角、鳍角，广义时变干扰d(k)＝[d1 d2]
t
，d1为影响角度的干扰，d2为影响角速度的干扰，实际输出值建立的船舶数学模型如下：式中：ψ、g、g
d
、h是系统状态空间矩阵；步骤二、设计离散的滑模观测器对实际干扰值和输出值进行实时观测：滑模观测器结构如下：式中：分别为k时刻的系统状态观测值、输出观测值、输入观测值，是k 1时刻的状态观测值，l为增益矩阵，k
s
为饱和增益，为切换函数，ε为滑模控制常数；取变量δ为切换常数，则sat[s]如式(3)：定义系统状态观测误差为：式中：e
x
(k)为k时刻的状态观测误差，e
x
(k 1)为k 1时刻的状态观测误差；则实际输出值与观测输出值的误差为：推导出干扰观测值的最小二乘解为：
式中：最小二乘广义逆矩阵g

＝(g
dt
g
d
)
‑1g
dt
；引入单位延迟环节q，并定义干扰观测值增量如下：通过选取适当滑模观测器的参数确保观测值收敛到真实值d(k)，则滑模控制器实现对d(k)的准确观测，进而实现对输出值y(k)的准确观测，最后将干扰观测值增量和输出观测值反馈给模型预测控制器(mpc)；步骤三、将船舶三自由度数学模型改写成扰动增量式数学模型：状态增量δx(k)＝x(k)
‑
x(k
‑
1)，将式(1)扩展状态变量后新的状态变量x
m
(k)＝[δx(k)
t y(k)]
t
，同理，x
m
(k 1)＝[δx(k 1)
t y(k 1)]
t
，控制增量为δu(k)＝u(k)
‑
u(k
‑
1)，扰动增量为δd
e
(k)＝d
e
(k)
‑
d
e
(k
‑
1)，改写后的扰动增量式数学模型为：式中：a
m
，b
u
，b
d
，c
m
为系统状态空间增广矩阵；步骤四、mpc基于扰动增量式数学模型预测系统的动态输出：在某一采样时刻k，状态变量x
m
(k)通过观测得到，取m为控制时域，p为预测时域(m＜p)，定义系统动态输出为y
p
(k p)，控制增量为δu(k)，干扰观测值增量为δd
e
(k)，y
p
(k p)表示k p时刻的输出预测值，δu(k m
‑
1)、δd
e
(k m
‑
1)分别为k m
‑
1时刻的控制输入增量和干扰值观测增量，如下：基于扰动增量式数学模型(8)推导出mpc预测系统的动态输出为：y
p
(k p)＝s
x
x
m
(k) s
u
δu(k) s
d
δd
e
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中：s
x
、s
u
、s
d
为常系数矩阵；与常规mpc相比，式(10)考虑了时变干扰对系统的不利影响，δd
e
(k)不再是定常值，而是观测器观测到的时变干扰，mpc采集到k时刻的x
m
(k)和k m时刻内的δu(k)、δd
e
(k)实现预测系统未来k p步的动态输出；步骤五、将船舶运动控制问题转化为求解二次规划问题：设置期望输出值r(k p)，为保证船舶实际输出能够快速地跟踪设置的期望艏摇角和横摇角，同时控制增量较小，搭建如下目标函数j：j＝[r(k p)
‑
y
p
(k p)]
t
q[r(k p)
‑
y
p
(k p)] δu(k)
t
wδu(k)
ꢀꢀꢀꢀ
(11)式中：q和w为权重矩阵；为减少舵机和鳍机的频繁操纵，设计舵角鳍角及其增量约束，为防止求解失败，引入松弛因子ρ1和ρ2，同时增加横摇速度约束、艏摇速度约束，满足的扰动增量式数学模型和约束条件如下：
式中：x
m
(k)
min
、x
m
(k)
max
分别是状态变量x(k)最小值、最大值矩阵，u(k)
min
、u(k)
max
分别是舵角鳍角的最小值、最大值矩阵，δu(k)
min
、δu(k)
max
分别是舵角增量和鳍角增量的最小值、最大值矩阵；步骤六、添加舵角鳍角等约束条件下求解最优控制律：在上述条件下求解出最优控制律δu
*
(k)为：式中：k
r
、k
x
、k
y
、k
d
均是常值增益矩阵，k
r
＝(s
ut
qs
u
w)
‑1s
ut
，k
r
s
x
＝[k
x k
y
]，k
d
＝k
r
s
d
，期望输出r(k)＝r(k p)；mpc只需输入四个参数r(k)、y(k)、δx(k)、δd
e
(k)就可计算出最优控制律δu
*
(k)，并且控制律满足执行机构输入约束；步骤七、反馈校正：将得到δu
*
(k)中的第1个元素δu
*
(k)作为实际控制输入增量，可得到未来时刻的控制输入量输入量分别通过滤波器f(k)作用于系统和进入滑模观测器预测系统输出值和干扰值，系统执行控制输入量直到下一采样时刻，根据观测信息重新预测下一段时刻的输出值，再次求解优化目标函数，得到一个新的控制律，再将其作用于系统的下个时刻，循环往复，形成最优控制。

技术总结
本发明公开一种基于改进模型预测控制抗干扰的舵鳍联合减摇控制系统，旨在解决常规舵鳍联合减摇控制系统存在时变干扰、模型失配和频繁操舵操鳍问题，具体包括以下步骤：构建了考虑时变干扰的离散化三自由度船舶数学模型；以舵角鳍角作为系统输入，设计滑模观测器对干扰和系统输出进行实时观测，并将其反馈给模型预测控制器(MPC)；MPC基于扰动增量式数学模型对系统动态输出进行预测，设定期望输出值，将船舶运动控制问题转化为求解二次规划最优解问题，在添加舵角鳍角等约束条件下求解出最优控制律；滤波器对控制律进行高频降噪。本发明观测精度高，减摇效果好，抗扰能力强，避免频繁操舵操鳍引起的执行机构磨损和能源损耗。操舵操鳍引起的执行机构磨损和能源损耗。操舵操鳍引起的执行机构磨损和能源损耗。


技术研发人员：孙明晓 张文玉 栾添添 谢春旺 胡占永 王万鹏 付强 原张杰
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.07.02
技术公布日：2021/9/21