基于雙脈沖參量微擾的船舶運動混沌控制技術(shù)

黃 謙，李天偉，楊紹清，李正友

(1.海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連116018;2.中國人民解放軍91257 部隊，浙江 舟山316001;3.海軍大連艦艇學院 信息與通信工程系，遼寧 大連116018)

0 引 言

海上航行的船舶是在波浪環(huán)境中運動的，同時受到風、流及其他外部因素的擾動，在航行過程中必定會因為受外力的擾動而產(chǎn)生橫搖及首搖運動，尤其是軍用艦艇的這種受迫運動，對艦載武器的作戰(zhàn)使用和特種作業(yè)必定會產(chǎn)生諸多不利影響，嚴重時甚至危及艦艇自身安全。如何避免這種情況的發(fā)生或降低船舶所受不良情況影響是船舶運動控制領(lǐng)域研究的一大重要課題。近年來，國內(nèi)外許多學者開始采用非線性動力學理論來研究船舶的各種運動，同時，隨著混沌理論在非線性研究中的出現(xiàn)和日益發(fā)展，人們開始將混沌理論引入對船舶非線性運動的研究之中，以便從機理及特性上對以上現(xiàn)象進行解釋［1-9］。大量的研究表明，船舶運動中產(chǎn)生的非線性混沌運動是導致船舶航向無法保持或傾覆的重要因素。

目前，國內(nèi)外許多學者提出了多種混沌控制方法［7-10］，張顯庫［7］提出利用精確反饋線性化和閉環(huán)增益成形算法相結(jié)合的非線性簡捷控制方法進行船舶橫搖運動的混沌控制，取得了較好的效果。李芃［8］等通過考慮設(shè)計PID 控制器使得混沌系統(tǒng)較快穩(wěn)定到極限環(huán)上，成功抑制了混沌，但在考慮控制對象時沒有考慮模型中的正弦分量影響，且沒有穩(wěn)定至不動點上，具有一定片面性。王林澤［10］提出用閉環(huán)反饋方式將控制目標與實測系統(tǒng)狀態(tài)量之間的差值作用于受控系統(tǒng)，達到控制分叉或混沌的目的。

本文從船舶運動非線性模型角度著手，提出采用脈沖參量微擾控制混沌系統(tǒng)的方法，在系統(tǒng)參量微擾中引入脈沖控制策略實現(xiàn)對混沌系統(tǒng)的有效控制。針對所研究的某型軍用艦船運動非線性模型，提出了改進的雙脈沖參量微擾控制方法，將混沌系統(tǒng)穩(wěn)定到新的周期軌道或不動點上，取得了較好的控制效果。

1 船舶運動非線性模型

1.1 模型建立

根據(jù)船舶線性操縱運動微分方程組:

式中:u0為航行速度;r 為轉(zhuǎn)首角速度;v 為橫漂速度;δ 為舵角;m 為船舶質(zhì)量;IZ為船舶質(zhì)量對通過重心鉛垂軸的慣性矩。力Y 和N 及相對分量是由船舶水動力和水動力矩及舵力和舵力矩產(chǎn)生的。文獻［9］通過對其進行變換，得到時域下船舶轉(zhuǎn)首運動方程并用非線性函數(shù)H(r)=nr+qr3代替其中的一階項r 得到非線性Bech 模型:

式中:a1為阻尼系數(shù);a0為剛度系數(shù);其余參數(shù)計算表達式參考文獻［9］。根據(jù)Bech 模型，在船舶直航過程中，為模擬波浪作用，將給定值r0取為正弦函數(shù)B·sinωt，并對船舶轉(zhuǎn)首角速度作比例反饋控制，即令舵角δ=kp(r0－r)，令，化簡可得如下船舶運動非線性數(shù)學模型:

觀察式(3)發(fā)現(xiàn)與受迫Duffing 方程極為相似，文獻［9］指出當船的阻尼項系數(shù)和剛度項系數(shù)相差不是很大時，通過反饋增量的補償，阻尼項系數(shù)和剛度項系數(shù)是同一數(shù)量級，在較小的給定值下，系統(tǒng)將進入非線性的混沌系統(tǒng)狀態(tài)。

1.2 仿真及混沌分析

為了驗證該模型是否具有混沌動力學特性，論文以某型軍用艦船為研究對象，令kp=5，ω=0.60，B=0.4，計算其相應(yīng)參數(shù)得出該型艦的運動非線性模型如下:

采用Matlab 7.8a 的Simulink 對模型進行仿真，仿真運行得到系統(tǒng)相位圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)相圖Fig.1 Figure of system phase

圖2 Poincare 截面映射圖Fig.2 Poincare section map

為了進一步驗證系統(tǒng)的混沌特性，采用Poincare截面法，即在相空間中適當選取一截面，稱為Poincare 截面，相空間的連續(xù)軌跡與Poincare 截面的交點稱為截點，當Poincare 截面上是一些成片的具有分形結(jié)構(gòu)的密集點時，運動便是混沌的［11］。Poincare 截面映射圖如圖2所示。綜合以上可以發(fā)現(xiàn)，該模型具有較為明顯的混沌特性，進一步證明了當系統(tǒng)參量在某一范圍內(nèi)時，船舶運動非線性模型會產(chǎn)生混沌現(xiàn)象。

2 基于離散脈沖參量微擾的控制方法

2.1 控制方法

依據(jù)式(4)并參考Duffing 方程，令x1=x，x2=y，a=0.30，b=4.20，γ=0.03，η=0.08，ω=0.60，δ=0.47，則式(4)可寫為

由1.2 節(jié)可知，由于系統(tǒng)參量的變化，導致船舶產(chǎn)生混沌運動。若系統(tǒng)存在穩(wěn)定的周期軌，在某一時刻參數(shù)變化后，則在原周期點系統(tǒng)不再保持周期運動。

研究發(fā)現(xiàn)，對混沌系統(tǒng)的參量實施脈沖微擾能實現(xiàn)混沌控制［10-12］，且在對實際系統(tǒng)的混沌控制中較易實現(xiàn)。本文提出將離散脈沖微擾應(yīng)用于某型軍用艦船運動非線性模型，實現(xiàn)了對連續(xù)非線性系統(tǒng)的混沌控制。

基于離散脈沖參量微擾的控制方法，以系統(tǒng)參量中某一參量λ 作為微擾對象，從時間t0開始進行控制，每隔Δt 時間，對參量λ 進行擾動，則受控系統(tǒng)中該參量變?yōu)槿缦滦问?

其中:n=0，1，2，…;k 為脈沖強度;Δt 為脈沖作用時間間隔，若以系統(tǒng)參量δ 為微擾對象，則在t0+n·Δt 時間點上，受控系統(tǒng)變?yōu)槿缦滦问?

而在其余時間點上系統(tǒng)仍如式(5)所示。當k 和Δt取合適值時，可以把混沌系統(tǒng)(5)穩(wěn)定到周期軌道上，故而脈沖強度k 及作用間隔時間Δt 的選取成為了實現(xiàn)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 仿真結(jié)果

通過研究發(fā)現(xiàn)，對脈沖強度k 及作用時間間隔Δt 的不同取值，可以得到不同的控制效果。本文運用Matlab 的Simulink 進行控制仿真，采用四階Runge-Kutta 方法，仿真積分步長取為0.01 s，仿真時間400 s，在t0=48 s 時加入脈沖控制。圖3 和圖4 為k 和Δt 不同取值條件下的仿真結(jié)果，脈沖控制參數(shù)如圖3 和圖4所示。

圖3 系統(tǒng)控制仿真結(jié)果(Δt=0.02 s)Fig.3 Simulation results of pulse control(Δt=0.02 s)

通過大量仿真研究發(fā)現(xiàn)，采用離散脈沖對系統(tǒng)某一參量進行微擾，可以實現(xiàn)對混沌系統(tǒng)的有效控制，并得出以下結(jié)論:

1)當固定脈沖作用時間間隔Δt，改變脈沖強度k 時，隨著k 的增大，受控系統(tǒng)變量振幅隨之減小，但系統(tǒng)穩(wěn)定時間增大，當k 取值很大時，系統(tǒng)雖然也能穩(wěn)定到不動點上，但若不在不動點附近實施控制，則系統(tǒng)穩(wěn)定到不動點時間很長，實用性不夠;

2)當固定脈沖強度k，改變脈沖作用時間間隔Δt 時，隨著Δt 的增大，受控系統(tǒng)變量振幅隨之增大，但系統(tǒng)穩(wěn)定時間減小;

3)在實際中，可以固定脈沖作用時間間隔Δt，在脈沖強度k ＞0 的范圍內(nèi)改變?nèi)≈担涂梢詫崿F(xiàn)將系統(tǒng)穩(wěn)定在P=1 到多個周期的軌道;而當取k ＜0時，系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)穩(wěn)定，但穩(wěn)定后系統(tǒng)變量振幅很大，也就失去了控制的意義;

4)采用離散脈沖對系統(tǒng)某一參量進行微擾，對于控制時刻沒有要求，但為得到所需控制結(jié)果，需要對脈沖強度k 及時間間隔Δt 進行參數(shù)試湊，控制的實施過程較為繁瑣，且很難將系統(tǒng)穩(wěn)定到不動點上。

圖4 系統(tǒng)控制仿真結(jié)果(k=40)Fig.4 Simulation results of pulse control(k=40)

3 改進雙脈沖參量微擾控制方法

針對采用離散脈沖對系統(tǒng)單一參量進行微擾實現(xiàn)混沌控制方法的不足，為將混沌系統(tǒng)盡快穩(wěn)定到新的不動點上，針對所研究的某型軍用艦船運動非線性模型，本文提出改進的雙脈沖參量微擾控制方法，即利用離散脈沖對多個系統(tǒng)參量同時進行微擾，通過脈沖參數(shù)的適當選取實現(xiàn)對混沌系統(tǒng)的快速有效控制。

本文提出的改進離散脈沖參量微擾控制算法是，從時間t0開始，每隔Δt 時間對式(5)所示系統(tǒng)中的2個參量分別采用不同的離散脈沖進行微擾控制。對參量進行擾動時，受控參量如式(6)所示。以對系統(tǒng)參量a 及δ 進行微擾控制為例，則在t0+n·Δt1時間點上，受控系統(tǒng)變?yōu)槿缦滦问?

在t0+n·Δt2時間點上，受控系統(tǒng)變?yōu)槿缦滦问?

而在其余時間點上系統(tǒng)仍如式(5)所示。其中，k1和k2為不同脈沖的脈沖強度，Δt1和Δt2為不同脈沖對應(yīng)的作用時間間隔，不同脈沖的控制參數(shù)取值可以不同，也可以相同。

為驗證本文所提算法的控制效果，對受控系統(tǒng)進行仿真研究，用Matlab 的Simulink 進行仿真，采用四階Runge-Kutta 方法，仿真積分步長取為0.01 s，仿真時間400 s，在t0=48 s 時加入脈沖控制。圖5 和圖6為k1，Δt1與k2，Δt2不同取值條件下的仿真結(jié)果，脈沖控制參數(shù)如圖5 和圖6所示。

通過控制仿真研究發(fā)現(xiàn)，采用本文提出的改進雙脈沖參量微擾控制方法進行混沌控制時，能將系統(tǒng)穩(wěn)定在振幅較小的周期軌道或不動點上，與采用離散脈沖對單一參量進行微擾相比，其控制效果得到了明顯的提高，并探索出如下規(guī)律:

1)當固定脈沖作用時間間隔為Δt，改變脈沖強度k 時，隨著的增大，受控系統(tǒng)變量振幅隨之減小，同時，系統(tǒng)穩(wěn)定時間也隨之減小;

2)當固定脈沖強度為k，改變脈沖作用時間間隔Δt 時，隨著Δt 的增大，受控系統(tǒng)變量振幅隨之增大，同時，系統(tǒng)穩(wěn)定時間也隨之增大;

3)在某型軍用艦船運動非線性模型的混沌控制中，可以選擇固定脈沖作用時間間隔Δt，在脈沖強度k1＞0，k2＜0 的范圍內(nèi)改變?nèi)≈担涂梢詫崿F(xiàn)將系統(tǒng)穩(wěn)定在不動點或周期軌道上;

4)采用改進的雙脈沖參量微擾方法，同樣對于控制時刻沒有要求，但為得到所需控制結(jié)果，依然需要對脈沖強度k 及時間間隔Δt 進行參數(shù)試湊，雖然由于控制脈沖數(shù)的增加，使得控制的調(diào)整實施過程略為復(fù)雜，但對混沌系統(tǒng)的控制效果確實得到了很大的改進和提高。

4 結(jié) 語

本文在船舶運動混沌系統(tǒng)的參量控制中引入脈沖參量微擾控制策略，對船舶運動的混沌狀態(tài)進行控制，并以某型軍用艦船為例，對船舶運動非線性模型的離散脈沖參量微擾控制方法進行了研究，提出了改進的雙脈沖參量微擾控制方法。仿真的結(jié)果表明，本文的控制方法能對連續(xù)非線性混沌系統(tǒng)實施有效控制，且通過對脈沖參數(shù)的調(diào)整可以實現(xiàn)將系統(tǒng)穩(wěn)定在新的不動點或周期軌道上，同時也可以對控制代價和控制速度進行選擇。以本文研究結(jié)果為依據(jù)設(shè)計的脈沖控制器結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，具有潛在工程應(yīng)用價值。

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