CN110937076B - 一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统及其控制方法，所述方法根据所检测到的不同航行环境和受海浪干扰的船体运动姿态情况，来设定双通道的参数值，并通过模型预测控制方法，达到减小船体垂向加速度的控制方法。所述控制系统通过监测船舶航行的环境数据，将船体的运动姿态由姿态传感器传送至双通道参数的模型预测控制器，控制器可根据传送的数据信息，快速判断出此时应选取的优化策略，改变垂向加速度权值系数，从而做到实时快速地操纵船体姿态，达到船舶舒适度控制的目的，对及时阻止船舶失事、降低航海危险系数以及改善乘员航海舒适度有着非常重要的作用。

Description

一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统 及其控制方法

技术领域

本发明属于船舶舒适度控制技术领域，特别是涉及一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统及其控制方法。

背景技术

由于某些船体技术规格的失误，导致海难发生的尤为重要的原因就是对当下恶劣海况应对不及时，没有采取快速有效地控制策略来使船体恢复平衡，减小因船身剧烈晃动而带来乘客人员的伤亡及他们所产生的晕船反应。近些年来，各种针对船舶减摇的控制算法的研究成为控制船舶姿态的基础方法，其中切换控制算法和模型预测算法的迅速发展为解决船舶姿态控制及舒适度控制问题提供了良好的解决途径。

就乘客而言，即使船舶不处于极端恶劣海况，船舶在某一航行环境下航行时，其长期处于摇晃状态造成海上旅行者的晕船反应，晕船是乘客敏感机体对超限刺激的应急反应，是十分痛苦的。然而，由海浪引起的船舶运动不仅使船上人员产生晕船反应，还可造成短时间的设备失效、航速损失以及降低航行效率等问题，军用方面，在高海况下影响旋翼直升机起降和快速收放工作艇的稳定性。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中存在的问题，提出了一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统及其控制方法。该方法能够根据所检测到的不同航行环境和受海浪干扰的船体运动姿态情况，来设定双通道控制参数值，并通过模型预测控制方法，达到减小船体垂向加速度，控制船舶舒适度的目的，最大限度地避免由于船身剧烈晃动，带来不必要的人员伤亡，同时优化乘员航海的舒适性。从而达到船舶舒适度控制，提高航行安全系数的作用效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统，所述系统包括航行环境监测模块、船体姿态检测传感器、海况预估模块、基于双通道参数的模型预测控制器、控制水翼模块以及显示模块；

所述航行环境监测模块用于监测船舶当前航行环境信息，所述航行环境信息包括航行速度和遭遇浪向角，所述船舶在不同航行环境下会产生不同的六自由度摆动状态；

所述船体姿态检测传感器用于检测船体摆动状态；

所述海况预估模块用于根据检测出的船体摆动状态估计出当前船舶所处于的海况信息；

所述基于双通道参数的模型预测控制器用于根据当前船舶航行环境信息与海况信息，设置双通道下的期望参考输入和船体水动力参数输入，从而根据双通道参数的输入，由当前船体运动姿态预测估计未来某时刻船体姿态，制定最优控制策略；

所述控制水翼模块用于控制水翼产生稳定力和力矩，抑制船体摇摆，使船体运动逐步接近预期最优状态，来达到船舶舒适度控制；

所述显示模块用于通过曲线图像的方式呈现船体的六自由度运动状态及舒适度控制效果。

本发明还提出一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统的控制方法，当船舶航行在某一海域，处于某一航行环境时，船体会产生摆动，由船体姿态检测传感器检测出船体摆动状态，进而确定出船体所处的具体海况，针对当前航行环境信息与海况信息，设置双通道的参数值，即期望参考输入值与船体预测模型的水动力参数值，并通过基于双通道参数的模型预测控制器针对双通道参数的输入，制定控制减小船体垂向加速度的策略，即对垂向加速度权值系数q_i、加权系数R_i以及状态加权系数P_i进行寻优，得到的最优控制变量u，作为控制水翼的最优控制攻角，由此控制水翼的摆动方式，使其产生抗六自由度运动的稳定力和力矩，减小船体垂向加速度，提高乘客舒适度、改善船舶耐波性，船体的六自由度运动状态及舒适度控制效果通过曲线图像的方式呈现在显示模块上，根据舒适度控制效果的好坏，判定是否满足所设定的控制指标要求，若否，则重新规划该海况下的最优性能指标，若舒适度减小到设定阈值，该性能指标则为该海况下的最优性能指标。

进一步地，在船舶舒适度控制系统中，其离散线性模型为：

约束条件：

式(1)、(2)中，t为时刻，x(t)表示船体运动中的各状态变量，包括：纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇的位移、角度及速度变量；u₁(t)+u₂(t)表示控制输入，其中u₁(t)表示干扰输入，即海浪的干扰力和力矩作为输入加载到船上，u₂(t)表示控制水翼的稳定力和力矩的输入，与干扰输入共同作用于船上，来抵抗海浪干扰；y(t)表示系统输出状态变量；A_i和B_i，i∈I＝{1,2,3,...9}分别为由船体姿态检测传感器检测到的i海况下的预测模型离散化后的参数矩阵；u_min,u_max,y_min,y_max分别为控制输入的上下限及输出变量的上下限。

进一步地，所述最优性能指标描述为：

式(3)中，r_i为期望参考输入，由不同海况下的不同船体运动姿态决定；矩阵Q_i、P_i为半正定矩阵，R_i为正定矩阵，Q_i与系统的输出变量和参考输入有关，为输出状态权系数，其优化值的上限为p，y(k)是船体输出的各状态变量，R_i与控制输入有关，为控制权系数，其优化值的上限为m，x(p)为当输出达到最优状态的p值时的输入状态，P_i为输入的状态权系数，i∈I＝{1,2,3,...9}；

舒适度控制效果依赖于在不同海况下，对船体的参数矩阵A_i和B_i的设定，以及对于权矩阵Q_i、P_i、R_i和优化值p、m及上下限u_min,u_max,y_min,y_max的参数取值；

在船体运动各状态中与舒适度相关的是对船体垂向加速的控制，进而其约束性最优控制性能指标进一步描述为：

式(4)中，a_z(k)为船体的垂向加速度的状态值，q_i为船体垂向加速度权重系数。

进一步地，所述海况信息包括波高和海浪能量谱。

本发明中当船舶处于不同航行环境下的船体运动姿态是不同的，根据船体晃动程度的不同，界定出其处于不同海况等级，进而船体的运动模型是随之变化的，及时针对当前海况信息与航行环境信息，设定双通道下的控制参数输入，并依据参数输入值的不同快速有效地制定控制优化策略，来使水翼摆动，从而减小船体摇摆，提高乘客舒适度、改善船舶耐波性。

附图说明

图1为船体六自由度摇摆示意图；

图2为本发明的船体舒适度控制的系统框图；

图3为本发明的工作流程图；

图4为本发明的控制规律走势曲线图；

图5为本发明的控制面板示意图；

图6为本发明的舒适度控制效果三维示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统及其控制方法。图2为本发明的船体舒适度控制的系统框图。根据图可知，整个系统由航行环境监测模块、船体姿态检测传感器、海况预估模块、基于双通道参数的模型预测控制器、控制水翼模块以及显示模块部分构成。其中船体六自由度摇摆方式，如图1所示，船体坐标系为O-xyz，地面坐标系为E-XYZ，沿船体坐标xyz轴向上分别有六自由度运动，为纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。

结合图1-图3，本发明提出一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统，所述系统包括航行环境监测模块、船体姿态检测传感器、海况预估模块、基于双通道参数的模型预测控制器、控制水翼模块以及显示模块；

所述航行环境监测模块用于监测船舶当前航行环境信息，所述航行环境信息包括航行速度和遭遇浪向角，所述船舶在不同航行环境下会产生不同的六自由度摆动状态；

所述船体姿态检测传感器用于检测船体摆动状态；

所述海况预估模块用于根据检测出的船体摆动状态估计出当前船舶所处于的海况信息；所述海况信息包括波高和海浪能量谱等。

所述基于双通道参数的模型预测控制器用于根据当前船舶航行环境信息与海况信息，设置双通道下的期望参考输入和船体水动力参数输入，从而根据双通道参数的输入，由当前船体运动姿态预测估计未来某时刻船体姿态，制定最优控制策略；

所述控制水翼模块用于控制水翼产生稳定力和力矩，抑制船体摇摆，使船体运动逐步接近预期最优状态，来达到船舶舒适度控制；

所述显示模块用于通过曲线图像的方式呈现船体的六自由度运动状态及舒适度控制效果。

所述模型预测设计部分包括：预测模型、限制条件、干扰条件、期望值及性能指标描述这几部分，对于船舶舒适度控制系统来说，预测模型为船舶的运动模型，限制条件为控制水翼输入的上下限度，干扰条件为海浪干扰。

本发明还提出一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统的控制方法，当船舶航行在某一海域，处于某一航行环境时，船体会产生摆动，由船体姿态检测传感器检测出船体摆动状态，进而确定出船体所处的具体海况，针对当前航行环境信息与海况信息，设置双通道的参数值，即期望参考输入值与船体预测模型的水动力参数值，并通过基于双通道参数的模型预测控制器针对双通道参数的输入，制定控制减小船体垂向加速度的策略，即对垂向加速度权值系数q_i、加权系数R_i以及状态加权系数P_i进行寻优，得到的最优控制变量u，作为控制水翼的最优控制攻角，由此控制水翼的摆动方式，使其产生抗六自由度运动的稳定力和力矩，减小船体垂向加速度，提高乘客舒适度、改善船舶耐波性，船体的六自由度运动状态及舒适度控制效果通过曲线图像的方式呈现在显示模块上，根据舒适度控制效果的好坏，判定是否满足所设定的控制指标要求，若否，则重新规划该海况下的最优性能指标，若舒适度减小到设定阈值，该性能指标则为该海况下的最优性能指标。所述设定阈值为20％。

在船舶舒适度控制系统中，其离散线性模型为：

约束条件：

式(1)、(2)中，t为时刻，x(t)表示船体运动中的各状态变量，包括：纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇的位移、角度及速度变量；u₁(t)+u₂(t)表示控制输入，其中u₁(t)表示干扰输入，即海浪的干扰力和力矩作为输入加载到船上，u₂(t)表示控制水翼的稳定力和力矩的输入，与干扰输入共同作用于船上，来抵抗海浪干扰；y(t)表示系统输出状态变量；A_i和B_i，i∈I＝{1,2,3,...9}分别为由船体姿态检测传感器检测到的i海况下的预测模型离散化后的参数矩阵；u_min,u_max,y_min,y_max分别为控制输入的上下限及输出变量的上下限。

所述最优性能指标描述为：

式(3)中，r_i为期望参考输入，由不同海况下的不同船体运动姿态决定；矩阵Q_i、P_i为半正定矩阵，R_i为正定矩阵，Q_i与系统的输出变量和参考输入有关，为输出状态权系数，其优化值的上限为p，y(k)是船体输出的各状态变量，所述状态变量包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇，R_i与控制输入有关，为控制权系数，其优化值的上限为m，x(p)为当输出达到最优状态的p值时的输入状态，P_i为输入的状态权系数，i∈I＝{1,2,3,...9}；

舒适度控制效果依赖于在不同海况下，对船体的参数矩阵A_i和B_i的设定，以及对于权矩阵Q_i、P_i、R_i和优化值p、m及上下限u_min,u_max,y_min,y_max的参数取值；

在船体运动各状态中与舒适度相关的是对船体垂向加速的控制，进而其约束性最优控制性能指标进一步描述为：

式(4)中，a_z(k)为船体的垂向加速度的状态值，q_i为船体垂向加速度权重系数。

本发明所述系统和方法针对各种海情下的船体运动状况做了全面考虑，对其运动模型进行双通道参数的预测控制，并选择最优的控制策略，对减少乘客的不适、改善工作人员的工作环境以及提高乘员的安全性有着非常重要的作用。

所述模型预测控制算法规律描述，如图4所示，具体情况如下所述：

在t时刻内，当前状态x(t)已知，或可预估当前状态；求解线性二次型最优化性能指标描述问题，同时解出u＝{u^*(0),...,u^*(N-1)}；当u(t)＝u^*(0)时，解出余下的控制输入；在t+1时刻内重复上述优化过程，通过有限步长N的迭代计算，得出最优控制输入的解u(N-1)。

图5为本发明的控制面板示意图。具体描述如下：

在此面板上会看到航行环境监测栏、海况估计栏、双通道参数设定栏、控制器权系数设置栏以及舒适度三维图像显示。

航行环境监测栏：船舶当前航行的航行速度、遭遇浪向角等信息是可以通过航行环境监测部门监测到的数据信息，船舶就是由于在不同航行环境下从而产生不同的六自由度摇摆情况。

海况估计栏：根据上述船体产生的不同六自由度摇摆情况，可估计当前船舶处于的海况信息，如波高、海浪能量谱等。

双通道参数设定栏：针对不同海情，对船体水动力参数和期望参考参数进行设置，从而确定船体的运动模型。

控制器权系数设置栏：通过选择适当的垂向加速度权系数，满足性能指标要求，以达到舒适度控制效果的最优化。

本发明的舒适度评价：所述方法对于船舶的六自由度控制效果的性能指标评估，引用O’Hanlon和McCauley提出的评价方法，选择300个测试者样本，通过一个典型的试验测量出晕船响应，没有任何一个样本在最近有水土不服的问题，两个样本一组在模拟船舶运动的仿真空间中接受测试，这个模拟仿真室是个可容纳人的小空间，让它做垂直的振幅约为±3.5米的正弦运动，由于小空间内没有窗户，故测试者不受视觉上运动的暗示，观察人员可从监视器里通过对控制面板的控制来观察测试者呕吐反应，这个实验持续了2个小时，或者到呕吐为止，得出的结论是，晕船率的计算是在某一频率下垂直加速度累加的结果。如图6所示，为本发明选取的某一海情下的垂荡与纵摇两自由度的舒适度控制效果显示。由图可知，本发明提出的控制系统和控制方法提高了乘客的舒适度、改善了船舶耐波性。

以上对本发明所提出的一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统及其控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于双通道参数的模型预测设计的船舶舒适度控制系统的控制方法，其特征在于：所述系统包括航行环境监测模块、船体姿态检测传感器、海况预估模块、基于双通道参数的模型预测控制器、控制水翼模块以及显示模块；

所述航行环境监测模块用于监测船舶当前航行环境信息，所述航行环境信息包括航行速度和遭遇浪向角，所述船舶在不同航行环境下会产生不同的六自由度摆动状态；

所述船体姿态检测传感器用于检测船体摆动状态；

所述海况预估模块用于根据检测出的船体摆动状态估计出当前船舶所处于的海况信息；

所述基于双通道参数的模型预测控制器用于根据当前船舶航行环境信息与海况信息，设置双通道下的期望参考输入和船体水动力参数输入，从而根据双通道参数的输入，由当前船体运动姿态预测估计未来某时刻船体姿态，制定最优控制策略；

所述控制水翼模块用于控制水翼产生稳定力和力矩，抑制船体摇摆，使船体运动逐步接近预期最优状态，来达到船舶舒适度控制；

所述显示模块用于通过曲线图像的方式呈现船体的六自由度运动状态及舒适度控制效果；

所述控制方法具体为：

当船舶航行在某一海域，处于某一航行环境时，船体会产生摆动，由船体姿态检测传感器检测出船体摆动状态，进而确定出船体所处的具体海况，针对当前航行环境信息与海况信息，设置双通道的参数值，即期望参考输入值与船体预测模型的水动力参数值，并通过基于双通道参数的模型预测控制器针对双通道参数的输入，制定控制减小船体垂向加速度的策略，即对垂向加速度权值系数q_i、加权系数R_i以及状态加权系数P_i进行寻优，得到的最优控制变量u，作为控制水翼的最优控制攻角，由此控制水翼的摆动方式，使其产生抗六自由度运动的稳定力和力矩，减小船体垂向加速度，提高乘客舒适度、改善船舶耐波性，船体的六自由度运动状态及舒适度控制效果通过曲线图像的方式呈现在显示模块上，根据舒适度控制效果的好坏，判定是否满足所设定的控制指标要求，若否，则重新规划该海况下的最优性能指标，若舒适度减小到设定阈值，该性能指标则为该海况下的最优性能指标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在船舶舒适度控制系统中，其离散线性模型为：

约束条件：

式(1)、(2)中，t为时刻，x(t)表示船体运动中的各状态变量，包括：纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇的位移、角度及速度变量；u₁(t)+u₂(t)表示控制输入，其中u₁(t)表示干扰输入，即海浪的干扰力和力矩作为输入加载到船上，u₂(t)表示控制水翼的稳定力和力矩的输入，与干扰输入共同作用于船上，来抵抗海浪干扰；y(t)表示系统输出状态变量；A_i和B_i，i∈I＝{1,2,3,...9}分别为由船体姿态检测传感器检测到的i海况下的预测模型离散化后的参数矩阵；u_min,u_max,y_min,y_max分别为控制输入的上下限及输出变量的上下限；u(t)表示t时刻的控制输入。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述最优性能指标描述为：

式(3)中，r_i为期望参考输入，由不同海况下的不同船体运动姿态决定；矩阵Q_i、P_i为半正定矩阵，R_i为正定矩阵，Q_i与系统的输出变量和参考输入有关，为输出状态权系数，其优化值的上限为p，y(k)是船体输出的各状态变量，R_i与控制输入有关，为控制权系数，其优化值的上限为m，x(p)为当输出达到最优状态的p值时的输入状态，P_i为输入的状态权系数，i∈I＝{1,2,3,...9}；u(k)表示船体的控制输入；

舒适度控制效果依赖于在不同海况下，对船体的参数矩阵A_i和B_i的设定，以及对于权矩阵Q_i、P_i、R_i和优化值p、m及上下限u_min,u_max,y_min,y_max的参数取值；

在船体运动各状态中与舒适度相关的是对船体垂向加速的控制，进而其约束性最优控制性能指标进一步描述为：

式(4)中，a_z(k)为船体的垂向加速度的状态值，q_i为船体垂向加速度权重系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述海况信息包括波高和海浪能量谱。

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