船舶自平衡稳定装置的非线性模型预测控制方法及系统与流程

本发明涉及船舶控制，具体地，涉及一种船舶自平衡稳定装置的非线性模型预测控制方法及系统。

背景技术：

1、船舶运行受到风浪流的影响，甲板不规则的运动对于船舶内的乘客的舒适性带来了较大的负面影响。船舶在海域航行或者作业时，受到波浪、海风及海流等海洋环境扰动的作用，将产生六个自由度的摇荡运动，其中又以横摇运动的影响最大。这主要是因为船舶的横摇运动阻尼较小，当波浪的频率接近船舶的固有频率时，会使船舶产生剧烈横向摇摆，这不但影响船舶的航行，降低作业率和舒适性，而且还会给船舶上的设备、货物和人员带来不安全因素，甚至还会导致船舶的倾覆。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种船舶自平衡稳定装置的非线性模型预测控制方法及系统。

2、根据本发明提供的一种船舶自平衡稳定装置的非线性模型预测控制方法，包括：

3、步骤s1：基于传感器信息计算稳定状态下自平衡稳定装置的期望状态；

4、步骤s2：建立自平衡稳定装置的动力学模型，考虑海浪干扰的非线性因素对船舶运动的影响，建立非线性模型预测控制方法对自平衡稳定装置的期望位置进行跟踪。

5、优选地，所述步骤s1包括：

6、步骤s1.1：获取主船位姿状态和自平衡稳定装置中的线性位移传感器数据，计算辅船的姿态；所述主船和辅船通过多个自平衡稳定装置连接；

7、步骤s1.2：根据主船横摇角和纵摇角，建立自平衡稳定装置的运动模型，计算自平衡稳定装置的位置期望。

8、优选地，所述步骤s2包括：

9、步骤s2.1：建立考虑海浪干扰下的船舶自平衡稳定装置非线性的动力学模型；

10、步骤s2.2：在自平衡稳定装置出力不发生突变的情况下，构建动力学模型的代价函数；建立动力学模型在物理条件限制下的约束；在每个采样周期内求解带约束的非线性规划。

11、优选地，所述步骤s1.1包括：

12、建立主船坐标系oz-xzyzzz、辅船坐标系of-xfyfzf、以及惯性坐标系oi-xiyizi，通过姿态检测模块采集主船姿态其中αz,βz,γz分别代表主船的横摇角、纵摇角及偏航角；

13、所述自平衡稳定装置为驱动缸，所述主船和辅船之间通过六个驱动缸连接，根据线性位移传感器数据实时获取驱动缸的长度根据运动学模型计算主船和辅船之间的姿态差值，进而得到辅船姿态即

14、优选地，所述步骤s1.2包括：

15、只考虑主船横摇角、纵摇角两个方向的不平度，简化运动学模型fk(α,β,qi)得到：

16、

17、其中，α表示主船在辅船坐标系of-xfyfzf下的横摇角，β表示主船在辅船坐标系of-xfyfzf下的纵摇角；i＝1～6，uxi、uyi及uzi为主船驱动缸连接铰点在惯性坐标系下的坐标值，dxi、dyi及dzi为辅船驱动缸连接铰点在惯性坐标系下的坐标值，zp为初始高度，

18、则辅船实际姿态为：

19、αf＝αz-α

20、βf＝βz-β

21、主船期望位置αd＝-αf，βd＝-βf，代入运动模型fk(α,β,qi)中，驱动缸的期望位置qdi为：

22、

23、优选地，所述步骤s2.1包括：

24、建立船舶自平衡主动稳定系统的动力学方程：

25、

26、其中：q＝[q1；q2；q3；q4；q5；q6]，mq(q)为系统的惯量矩阵，为系统的科氏力与离心力矩阵，gq(q)为重力项，fq表示为驱动缸上的驱动力，jd为关节驱动缸映射到主船运动平台的速度雅克比矩阵，γd表示为施加在主船和辅船平台上的风浪力；

27、将某一特定海面的海浪视为6个来自不同方向的长峰波形成的干扰力和力矩对船体影响的叠加，仅考虑一阶波浪力的影响，即：

28、

29、其中i＝1～6，aw为波幅，ωe为遭遇频率，αi＝arg[fi(ωe)]，χ为浪向角，fi(ωe)为船舶处于顶浪时(χ＝180°)的波浪力幅值响应因子，即：

30、

31、其中τ1表示一阶波浪干扰力，j表示虚数单位，ζ表示波高；

32、船舶自平衡主动稳定系统的控制目标为通过控制驱动力fq使主船运动平面的横摇角α、纵摇角β准确的跟踪期望目标αd以及βd；

33、建立船舶自平衡主动稳定系统的非线性动力学状态空间方程：

34、

35、式中：为状态变量，fq＝[fq1，fq2…fq6]为驱动力，即控制变量，y＝[q1,q2…q6,αs,βs]为输出变量。

36、优选地，所述代价函数包括：

37、

38、式中：yd为理想状态变量的理论参考值，即yd＝[qd1,qd2…qd6,αd,βd]，yd(k+i|k)为k时刻对k+i时刻yd的参考估计值，y(k+i|k)为k时刻对k+i时刻y的估计值，fq(k+i|k)为k时刻对k+i时刻的控制量，fq(k-1)为上一时刻的实际控制量，np为预测时域，nc为控制时域，q为控制系统误差的权重矩阵，r为控制量增量的权重矩阵，ρ为权重系数，ε为松弛因子；

39、所述动力学模型在物理条件限制下的约束包括：

40、

41、式中，k＝0,1,…,nc-1，qmin(k)、qmax(k)分别为驱动缸位移输出的最小值和最大值，分别为驱动缸速度的最小值和最大值，fqmin(k)、fqmax(k)分别为驱动缸出力的最小值和最大值。

42、优选地，所述带约束的非线性规划求解过程包括：

43、在每一个采样周期内求解以下带约束的非线性规划问题：

44、min j(k)

45、s.t.

46、x(k+1)＝f(x(k),fq(k),γd(k)),k＝0,1,…,nc-1

47、x(k|k)＝x0(k)

48、qmin(k)≤qi(k)≤qmax(k)

49、

50、fqmin(k)≤fqi(k)≤fqmax(k)

51、在每个采样周期内对上式进行求解，得到控制时域内的最优控制序列为：

52、

53、根据模型预测控制原理，将该控制序列的第一个元素作为被控对象的实际输入，即

54、

55、在下一个控制周期中，以新的采样时刻的状态为初始状态进行求解，继续将控制序列的第一个元素作用于主动稳定系统，如此循环实现主船的预测稳定控制。

56、优选地，还包括：串联布置，所述串联布局为横摇减速器以及纵摇减速器垂直摆放，横摇减速器安装在辅船上，纵摇减速器安装在主船上；

57、所述串联布置的运动学模型包括：

58、在假定辅船浮力较大，短时间内可视为姿态静止的情况下，为补偿主船的不平度，主船及辅船的在空间中相对的位姿应为-αz以及-βz，即减速器输出端的期望位置为αd＝-αz，βd＝-βz。

59、双轴解耦的非线性动力学模型：

60、

61、其中：jα(α)、jβ(β)分别为横摇轴和纵摇轴的转动惯量，分别为横摇轴和纵摇轴的科氏力与离心力矩阵，gα(α)、gβ(β)为重力项，tα、tβ表示为减速器的输出力矩。

62、根据本发明提供的一种船舶自平衡稳定装置的非线性模型预测控制系统，其特征在于，包括：

63、模块m1：基于传感器信息计算稳定状态下自平衡稳定装置的期望状态；

64、模块m2：建立自平衡稳定装置的动力学模型，考虑海浪干扰的非线性因素对船舶运动的影响，建立非线性模型预测控制方法对自平衡稳定装置的期望位置进行跟踪。

65、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

66、1、该方案考虑了系统的非线性因素，建立自平衡机构、船舶的非线性动力学模型，在控制过程中考虑了驱动缸的物理约束，能够在参数变化或外部扰动的情况下保持较好的姿态跟踪精度和实时性，具有较好的稳定性和鲁棒性，可以有效提升乘坐舒适感；

67、2、该方案利用自平衡机构的运动学模型避免了水下辅船姿态传感器的安装，有效提升了系统的稳定性和可靠性。