基于lmi的船舶航向橫搖魯棒容錯(cuò)控制

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1、基于LMI的船舶航向橫搖魯棒容錯(cuò)控制5】卷第2期(總第190期)2010年6月中國造船SHIPBUILDINGOFCHINAVo1.51No.2(SerialNo.190)June.2Ol0文章編號(hào):1000—4882(2010)02—0155—07基于LMI的船舶航向橫搖魯棒容錯(cuò)控制劉勝,李冰,李高云,一,宋佳(1.哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.中國船舶重工集團(tuán)公司天津航海儀器研究所九江分部,江西九江332007)摘要為了提高船舶航向潢搖控制系統(tǒng)的可靠性,改善系統(tǒng)故障情況下的容錯(cuò)控制效果,采用基于線性矩陣不等式(

2、LMI)的魯棒容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)方法,對船舶航向臌搖系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)控制研究.建立船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)模型,分析故障導(dǎo)致的模型等效不確定性,通過定義廣義干擾,將模型變換為適合于./H魯棒容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模型.設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo),求解魯棒容錯(cuò)控制器,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明,船舶航向懶搖魯棒容錯(cuò)控制系統(tǒng)具有良好的容錯(cuò)性能.關(guān)鍵詞:船舶,艦船性能;航向;橫搖;魯棒容錯(cuò)控制;線性矩陣不等式中圖分類號(hào):U661.32;TP273.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言容錯(cuò)控制起源于1971年.,以Niederlinski提出的完整性控制為標(biāo)志,在航空,航天,核電站,

3、工業(yè)機(jī)器人以及化工等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展【14J.近年來,隨著魯棒控制理論的不斷發(fā)展,魯棒容錯(cuò)控制問題受到了高度的重視.陳雪芹等J針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)和敏感器故障,運(yùn)用線性矩陣不等式方法設(shè)計(jì)輸出反饋..魯棒容錯(cuò)控制.黃長水等_6]研究了基于LMI的魯棒反饋控制律.孫金生等【7J研究了不確定線性系統(tǒng)的魯棒容錯(cuò)日控制問題,劉勝等]根據(jù)船體本身的運(yùn)動(dòng)特性,按照舵是否負(fù)擔(dān)減搖任務(wù)兩種情況選擇權(quán)函數(shù),對船舶舵減橫搖魯棒控制進(jìn)行了研究.但目前在船舶魯棒容錯(cuò)控制方面的研究文獻(xiàn)還很少.本文在前人研究基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了船舶航向/橫搖的魯棒容錯(cuò)控制模型,并定義廣義

4、干擾,轉(zhuǎn)換成適合/魯棒容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)的模型;設(shè)計(jì)了性能評(píng)價(jià)方程,基于LMI求解魯棒容錯(cuò)控制器,并仿真驗(yàn)證了該方法的有效性.1船舶航向/橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模船舶航向/橫搖耦合運(yùn)動(dòng)模型為f(,66+Q66)+b66矽+a64+b64=^r,+Ⅳr+AI(厶4+a44)+b44+c4w+046+b46矽=Kr+Ks+Kd收稿日期:2009—06.04:修改稿收稿日期:2010.04.22基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):60704004)中國造船學(xué)術(shù)論文式中,為艏搖角,為橫搖角;為船體質(zhì)量對Z軸的慣性矩,為船體質(zhì)量對X軸的慣性矩;,,,為附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣

5、性矩系數(shù),66,66,,64為與運(yùn)動(dòng)角速度相聯(lián)系的阻尼系數(shù),c44為橫搖恢復(fù)力矩系數(shù);Ⅳ,K,為舵產(chǎn)生的艏搖力矩和橫搖力矩,Ⅳ,,為鰭產(chǎn)生的艏搖力矩和橫搖力矩,,為海浪產(chǎn)生的艏搖干擾力矩和橫搖干擾力矩.舵,鰭對船舶的作用力矩分別為Ⅳ,=-(1+);=(1+an)z;Ⅳr=-2L/,'COS0;,=2三,,.其中:為舵的升力,為舵與船體水動(dòng)力影響系數(shù),XR,z分別為舵水動(dòng)力作用點(diǎn)的縱向和垂向坐標(biāo);,為鰭的升力,0為鰭的法線與水平面的夾角,,'為升力作用線到重心的距離在縱向的投影,,為鰭中心到船體重心的長度.令x[X1X2X3X4],X1=,X

6、2=矽,X3=,x4=,;1,f,=[』],式(1)可寫成如下狀態(tài)方程的形式:1O0166+a660006000a64100/44+a44X01000一0一00010-b,6-c44-b,40-(1+)0(1+)O一21.COSO02,H+00100001M,l(2)2船舶航向/橫搖魯棒容錯(cuò)控制2.1船舶航向/橫搖控制系統(tǒng)故障建模為了設(shè)計(jì)具有魯棒容錯(cuò)性能的船舶航向/橫搖控制系統(tǒng),需要對故障發(fā)生而導(dǎo)致的等效船體運(yùn)動(dòng)不確定性量進(jìn)行分析.本文將系統(tǒng)故障導(dǎo)致的系統(tǒng)參數(shù)變化,等效為模型的不確定性量,視為模型的參數(shù)變化.考慮模型式(1)中的參數(shù),認(rèn)為故

7、障時(shí),'是定常不變的,船舶故障的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致以下參數(shù):a66,6/44,a64,a46,666,,b64,b46,c44,發(fā)生相應(yīng)的變化.不妨假設(shè):a66;a一66+Aa66;44=_44+Aa44;口64;_64十Aa64;a46=a一46+△;666=6+△666;b4=+Ab,;;瓦+△;64一+ab,;c4一_4+Aca9.其中:△(')為故障導(dǎo)致的變化量,且有IIs1,i=l,2,…,9.下面的工作是將式(2)轉(zhuǎn)化為適合于Ⅳ/魯棒容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)形式.因而,在處理故障導(dǎo)致的參數(shù)變化時(shí),等效為模型參數(shù)的變化.對式(2)進(jìn)行表達(dá)式推導(dǎo)

8、,并采用一些合理的近似處理方法和技巧.令:A1=100I66+a66000046=A1+AA1=000a64100I+d01000-b,60—66400010一6一c44—644