劉 楊，王 瑩

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

近年來，雙體船由于良好的操縱性、阻力峰不明顯、裝載量大等特點，在當(dāng)今船舶行業(yè)得到了廣泛的關(guān)注。本文根據(jù)雙體船采用雙螺旋槳作為其動力系統(tǒng)，提出一種基于雙螺旋槳差動調(diào)節(jié)的雙體船航向智能控制方法。通過引入航向誤差檢測環(huán)節(jié)、系統(tǒng)辨識環(huán)節(jié)和模糊控制，控制雙體船航向運動。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計的雙螺旋槳差動調(diào)節(jié)航向智能控制系統(tǒng)控制效果良好，對海情的變化具有較強的適應(yīng)能力。

1 雙體船航向運動非線性模型

對于在水面內(nèi)運動的雙體船，在預(yù)定的航線上做小偏差運動時，縱向與橫向運動耦合作用不大，可認(rèn)為其縱向運動與橫向運動相互獨立，其橫蕩和首搖運動模型如式(1)所示：

其中，Yd和 Nd分別為海浪、海風(fēng)及海流等擾動形成的干擾力和干擾力矩；Iz為雙體船O-xy面繞Oz軸的轉(zhuǎn)動慣量；θ為偏航首搖角度；v為橫蕩速度；M為雙體船質(zhì)量。

對模型式(1)進行簡化處理，將由舵角產(chǎn)生的控制力和控制力矩改為由雙螺旋槳差動形成的控制力和控制力矩代替，另外考慮在靜水條件下，忽略海浪、海風(fēng)和海流產(chǎn)生的擾動力、擾動力矩。則可描述為：

其中，YL、NL分別為雙螺旋槳轉(zhuǎn)速差異引起的橫蕩力、首搖力矩系數(shù)；Δω為雙螺旋槳的轉(zhuǎn)速差值。

2 雙螺旋槳動力學(xué)模型

由于雙體船寬度比一般船舶要寬，吃水也較一般船舶淺，所以根據(jù)其特點，采用了雙螺旋槳推進系統(tǒng)。螺旋槳的動力學(xué)特性可表示為：

式中：ρ為水的密度；D為螺旋槳槳徑；KQ為螺旋槳阻力系數(shù)；KT為螺旋槳推力系數(shù)；ω為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

若2個螺旋槳轉(zhuǎn)速不同，則2個螺旋槳的推力不同，從而能夠進行船體航向的調(diào)整，其產(chǎn)生的推力與航速的關(guān)系如下：

則相對艏搖，2個螺旋槳形成的控制雙體船航向的控制力矩有如下關(guān)系：

其中，V為船的速度；L為兩螺旋槳產(chǎn)生艏搖力矩對應(yīng)的力臂；FL1為螺旋槳1產(chǎn)生的推力；FL2為螺旋槳2產(chǎn)生的推力。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

雙體船航向智能控制系統(tǒng)如圖1所示。兩個螺旋槳是兩個相互獨立的控制機構(gòu)，雙螺旋槳分配單元包含雙螺旋槳智能優(yōu)化分配規(guī)則。在系統(tǒng)運行過程中，模糊控制器計算出所需的扶正力矩值，雙螺旋槳分配單元根據(jù)該值計算出所需的兩個螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

圖1 雙體船航向智能控制系統(tǒng)框圖

(1)定義輸入輸出變量

本文設(shè)計的雙體船航向模糊控制器，根據(jù)自動舵的工作原理，通過傳感器測量可以得到雙體船的航向角，因此可以選擇航向角偏差Δψ作為模糊控制器的輸入。另外，為了反映偏差的變化趨勢，模糊控制器的輸入還應(yīng)加上航向角偏差的變化率。模糊控制器的輸出為雙螺旋槳所需的扶正力矩值。模糊控制器如圖2所示，E為航向角誤差；EC為航向角誤差變化率；U為控制器的輸出量；ke、kec為量化因子；ku為比例因子。

圖2 模糊控制器輸入輸出示意圖

(2)輸入輸出變量的模糊化

對模糊控制器的輸入和輸出進行模糊化處理，選擇輸入輸出變量的模糊子集為：

由于高斯型隸屬函數(shù)的平滑性較好，概念較精確，所以本文中的模糊隸屬函數(shù)均采用高斯型函數(shù)，如圖 3、圖 4、圖 5所示。

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

為了檢驗本文所設(shè)計的智能控制系統(tǒng)是否可以有效地提高航向控制效果、節(jié)約系統(tǒng)能耗，本文對系統(tǒng)進行仿真，如圖6所示，所用雙體船的主要參數(shù)：排水量為2 379 t，水線長為 57.58 m，水線面積為 175.87 m2，下潛體半徑為2.286 m，支柱長度為57.58 m，浮心到重心的垂向距離4.63 m，支柱最大厚度為2.03 m，縱穩(wěn)心高為8.44 m，下潛體長度為73.06 m，潛體浮心距離主體首端為35.2 m，船體吃水高度為7.62 m，縱搖慣性半徑為15.88 m，設(shè)計航速為 18 kn。

圖3 航向角偏差E的隸屬度函數(shù)曲線

圖5 控制量U的隸屬度函數(shù)曲線

圖6 航向模糊控制系統(tǒng)仿真曲線

為了進行有效地對比，本文還對該雙體船在相同海情的航向PID控制系統(tǒng)進行了仿真，如圖7所示。從仿真結(jié)果來看，當(dāng)海情發(fā)生變化時，由航向PID控制的效果明顯變差，且舵角幅度變大，增大了能耗。而本文設(shè)計的模糊控制系統(tǒng)在重新辨別模型、優(yōu)化參數(shù)后能較好地適應(yīng)海情變化，控制效果良好。由于模糊控制算法具有較強的全局尋優(yōu)能力，而PID算法對參數(shù)初值的選取十分敏感，極易陷入局部最優(yōu)，導(dǎo)致尋優(yōu)失敗。

圖7 航向PID控制系統(tǒng)仿真曲線

本文設(shè)計了基于雙螺旋槳差動調(diào)節(jié)的雙體船航向智能控制系統(tǒng)，通過航向偏差檢測環(huán)節(jié)判斷海情是否發(fā)生變化。若海情發(fā)生變化，則通過系統(tǒng)辨識環(huán)節(jié)得到雙體船航向運動的數(shù)學(xué)模型，并在該模型的基礎(chǔ)上運用模糊控制算法，最后將得到的參數(shù)賦予實際的航向保持系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明與PID控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)對于海情變化具有較好的自適應(yīng)能力。該系統(tǒng)簡單易于實現(xiàn)，具有工程應(yīng)用價值。

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