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1、基于LMI的船舶航向横摇鲁棒容错控制5】卷第2期(总第190期)2010年6月中国造船SHIPBUILDINGOFCHINAVo1.51No.2(SerialNo.190)June.2Ol0文章编号:1000—4882(2010)02—0155—07基于LMI的船舶航向横摇鲁棒容错控制刘胜,李冰,李高云,一,宋佳(1.哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;2.中国船舶重工集团公司天津航海仪器研究所九江分部,江西九江332007)摘要为了提高船舶航向潢摇控制系统的可靠性,改善系统故障情况下的容错控制效果,采用基于线性矩阵不等式(
2、LMI)的鲁棒容错控制设计方法,对船舶航向臌摇系统进行容错控制研究.建立船舶航向/横摇耦合运动模型,分析故障导致的模型等效不确定性,通过定义广义干扰,将模型变换为适合于./H鲁棒容错控制设计的标准模型.设计系统的性能评价指标,求解鲁棒容错控制器,并进行仿真验证.结果表明,船舶航向懒摇鲁棒容错控制系统具有良好的容错性能.关键词:船舶,舰船性能;航向;横摇;鲁棒容错控制;线性矩阵不等式中图分类号:U661.32;TP273.3文献标识码:A0引言容错控制起源于1971年.,以Niederlinski提出的完整性控制为标志,在航空,航天,核电站,
3、工业机器人以及化工等领域均得到了广泛的应用与发展【14J.近年来,随着鲁棒控制理论的不断发展,鲁棒容错控制问题受到了高度的重视.陈雪芹等J针对执行机构和敏感器故障,运用线性矩阵不等式方法设计输出反馈..鲁棒容错控制.黄长水等_6]研究了基于LMI的鲁棒反馈控制律.孙金生等【7J研究了不确定线性系统的鲁棒容错日控制问题,刘胜等]根据船体本身的运动特性,按照舵是否负担减摇任务两种情况选择权函数,对船舶舵减横摇鲁棒控制进行了研究.但目前在船舶鲁棒容错控制方面的研究文献还很少.本文在前人研究基础上,推导了船舶航向/横摇的鲁棒容错控制模型,并定义广义
4、干扰,转换成适合/鲁棒容错控制设计的模型;设计了性能评价方程,基于LMI求解鲁棒容错控制器,并仿真验证了该方法的有效性.1船舶航向/横摇运动数学建模船舶航向/横摇耦合运动模型为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基金项目:国家自然科学基金项目(编号:60704004)中国造船学术论文式中,为艏摇角,为横摇角;为船体质量对Z轴的惯性矩,为船体质量对X轴的惯性矩;,,,为附加转动惯
5、性矩系数,66,66,,64为与运动角速度相联系的阻尼系数,c44为横摇恢复力矩系数;Ⅳ,K,为舵产生的艏摇力矩和横摇力矩,Ⅳ,,为鳍产生的艏摇力矩和横摇力矩,,为海浪产生的艏摇干扰力矩和横摇干扰力矩.舵,鳍对船舶的作用力矩分别为Ⅳ,=-(1+);=(1+an)z;Ⅳr=-2L/,'COS0;,=2三,,.其中:为舵的升力,为舵与船体水动力影响系数,XR,z分别为舵水动力作用点的纵向和垂向坐标;,为鳍的升力,0为鳍的法线与水平面的夹角,,'为升力作用线到重心的距离在纵向的投影,,为鳍中心到船体重心的长度.令x[X1X2X3X4],X1=,X
6、2=矽,X3=,x4=,;1,f,=[』],式(1)可写成如下状态方程的形式: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/横摇鲁棒容错控制2.1船舶航向/横摇控制系统故障建模为了设计具有鲁棒容错性能的船舶航向/横摇控制系统,需要对故障发生而导致的等效船体运动不确定性量进行分析.本文将系统故障导致的系统参数变化,等效为模型的不确定性量,视为模型的参数变化.考虑模型式(1)中的参数,认为故
7、障时,'是定常不变的,船舶故障的发生会导致以下参数:a66,6/44,a64,a46,666,,b64,b46,c44,发生相应的变化.不妨假设: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:△(')为故障导致的变化量,且有IIs1,i=l,2,…,9.下面的工作是将式(2)转化为适合于Ⅳ/鲁棒容错控制设计的标准形式.因而,在处理故障导致的参数变化时,等效为模型参数的变化.对式(2)进行表达式推导
8、,并采用一些合理的近似处理方法和技巧.令:A1=100I66+a66000046=A1+AA1=000a64100I+d01000-b,60—66400010一6一c44—644
