徐世杰 邢繼峰 彭利坤

（海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033）

基于模糊理論的船舶減搖鰭控制系統(tǒng)研究

徐世杰 邢繼峰 彭利坤

（海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033）

減搖鰭；模糊控制理論；船舶橫搖模型

以船舶減搖鰭控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象，應(yīng)用模糊控制理論提出一種基于Fuzzy推理的模糊控制器并完成模糊控制器的理論實(shí)現(xiàn)?；诖皺M搖運(yùn)動(dòng)的線性方程對(duì)不同浪向下的船舶橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制相比，基于Fuzzy推理的模糊控制器具有更好的控制效果和更強(qiáng)的魯棒性。

0 引言

減搖鰭作為主要的船舶減搖裝置，目前已經(jīng)在各型船舶中得到廣泛的應(yīng)用［1］。它能夠提高船舶的耐波性、適航性、穩(wěn)定性，并能延長(zhǎng)船舶使用壽命，改善設(shè)備與人員的工作條件［2］。而減搖鰭在鰭容量和鰭型以及相應(yīng)的隨動(dòng)系統(tǒng)確定后的情況下，其性能就與采取的控制策略密切相關(guān)。設(shè)計(jì)好的減搖鰭能夠使船舶在設(shè)計(jì)海況下的橫搖角度在5°以內(nèi)。傳統(tǒng)的減搖鰭大都采用PID控制，但是由于很難獲得船舶在各種橫搖干擾頻率下或者在某浪向角下的最佳參數(shù)，一旦船舶航向改變或風(fēng)向改變，就很難獲得最佳的減搖效果［3］。

模糊控制的基本思想就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)。與傳統(tǒng)控制方法如PID控制相比，模糊控制可不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型并能充分利用人類專家的控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于非線性、復(fù)雜對(duì)象的控制顯示出了魯棒性好、控制性能高的優(yōu)點(diǎn)［4］。正是基于模糊控制的上述優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)減搖鰭模糊控制器。通過(guò)在線仿真得到的結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制相比，模糊控制器在不同海況和浪向下均可取得更好的減搖效果。

2 海浪仿真

實(shí)際海面上興起的海浪是不規(guī)則的隨機(jī)波［5］。它可以看做是由無(wú)窮多個(gè)相互獨(dú)立的，具有不同幅值、頻率和初相位的規(guī)則波疊加而來(lái)的。于是定點(diǎn)不規(guī)則長(zhǎng)峰波可表示為：

式中：ζ（t）、ωi和εi分別為第i次諧波的波幅、角頻率和初相位。

再由波高ζai與波浪譜密度Sζ（ω）的關(guān)系式：

可得：

式（2）和式（3）中：

式中：ω為海浪頻率（s-1）；

exp為自然對(duì)數(shù)的底e=2.718 3；

v為海面上19.5m高度處的平均風(fēng)速（m/s）；

g為重力加速度（9.8m/s）。

由波傾角公式：

式中：μe為遭遇浪向角，°；

ωe為遭遇角頻率：

因此，可得到作用于船體的橫向波傾角為：

3 船體及減搖鰭系統(tǒng)建模

如果船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)角度較小，則可以應(yīng)用線性橫搖理論來(lái)分析船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)。依照Conolly的理論，船舶線性橫搖可表示為［6］：

式中：Ix為相對(duì)于通過(guò)船舶質(zhì)心的縱軸的慣量；

△Ix為附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Νμ為每單位橫搖角速度的船舶阻尼力矩；

D為船舶排水量；

h為橫穩(wěn)心高，m；

αe為遭遇波傾角，°；

Kc為減搖鰭產(chǎn)生的扶正力矩：

式中：ρ為海水密度；

AF為鰭的投影面積，m2；

CL為升力系數(shù)；

V為航速，kn。

減搖鰭的系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示：

圖1 減搖鰭系統(tǒng)組成原理圖

本文選取由哈工大研制的某型減搖鰭為研究對(duì)象，各組成部分的數(shù)學(xué)模型如下：

（1）船舶模型

（2）角速度陀螺儀

角速度陀螺儀是減搖鰭控制系統(tǒng)中的測(cè)量元件，傳遞函數(shù)為：

（3）放大器

（4）航速靈敏度調(diào)節(jié)器

在設(shè)計(jì)海況下，航速調(diào)節(jié)器KH=1。

（5）浪級(jí)靈敏度調(diào)節(jié)器

在設(shè)計(jì)海況下，浪級(jí)調(diào)節(jié)器KL=1。

（6）隨動(dòng)系統(tǒng)

（7）鰭角到波傾角轉(zhuǎn)換

對(duì)于NJ5型減搖鰭，從鰭角到波傾角的轉(zhuǎn)換系數(shù)為：Kα=0.254 6。

表1 模糊控制規(guī)則表

4 模糊控制器的設(shè)計(jì)

該減搖鰭模糊控制器是一個(gè)二維模糊控制器，其輸入量e和e˙分別為船舶的橫搖角度φ和橫搖角速度φ˙，其輸出量減搖鰭的鰭角δ。橫搖角φ和橫搖角速度φ˙均劃分為7個(gè)模糊集合{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，并且論域均為A=［-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5］，隸屬度函數(shù)采用三角分布的隸屬函數(shù)［7］。根據(jù)以往對(duì)減搖鰭控制可以總結(jié)出如下一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，例如：

（1）如果船向左邊偏一個(gè)較大角度，并且角速度也向左邊較大，則減搖鰭的左鰭打一個(gè)較大的正攻角，右鰭打一個(gè)相反的攻角；

（2）如果船向左邊偏一個(gè)較小角度，并且角速度也向右較小，則對(duì)減播鰭不加控制；

（3）如果船向左邊偏一個(gè)較小角度，并且角速度也向右較大，則減搖鰭的左鰭打一個(gè)較大的負(fù)攻角，右鰭打一個(gè)相反的攻角。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想可得到如表1所示的控制規(guī)則。各規(guī)則中，使用Zadeh的模糊邏輯and操作，采用Centroid反模糊化方法得到鰭角δ。限于篇幅，各三角隸屬函數(shù)曲線沒(méi)有給出，在Matlab中利用模糊邏輯工具箱很容易實(shí)現(xiàn)。

5 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

在Matlab軟件環(huán)境下利用Simulink工具箱建立仿真程序如圖2所示［8］。

圖2 減搖鰭模糊控制仿真程序圖

在不同海況下仿真得到的PID與模糊控制的船舶橫搖角對(duì)比如圖3所示。

由以上得到的仿真曲線可以得出如下結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)PID控制相比，采用模糊控制器后船舶的橫搖角度顯著地降低；

（2）在各種海況下模糊控制器均可得到比傳統(tǒng)PID更滿意的控制效果，即模糊控制器的魯棒性更強(qiáng)。

圖3 仿真曲線

［1］許可建，劉維亭，朱志宇，張冰.船舶減搖控制方法綜述［J］.船舶，2004，14（5）：14-17.

［2］金鴻章，李國(guó)斌.船舶特種裝置控制系統(tǒng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［3］金鴻章，王科俊，吉明.智能技術(shù)在船舶減搖鰭系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［4］李國(guó)勇.智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［5］邱宏安.隨機(jī)海浪模型的建立及仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2000，12（3）：13-15.

［6］王科俊.海洋運(yùn)動(dòng)體控制原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

［7］楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005.

［8］鄧薇.MATLAB函數(shù)速查手冊(cè)［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

Fuzzy-based control system of fin stabilizer

XU Shi-jie XING Ji-feng PENG Li-kun
（Naval University of Engineering，College of Naval Architecture and Marine Power，Wuhan 430033，China）

fin stabilizer；fuzzy-control theory；model of ship motion

In this paper，a fuzzy inference controller based on fuzzy theory is studied and implemented theoretically.The ship roll with different wave direction is simulated by solving the linear equation of ship roll.The simulation results indicate that the fuzzy-based control system of fin stabilizer is better and more robust than general PID controller.

U661.32

A

1001-9855（2011）03-0024-03

2011-03-12

徐世杰（1986-），男，碩士研究生，研究方向：船用機(jī)電液設(shè)備控制與仿真。

邢繼峰（1960-），男，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向：數(shù)字液壓技術(shù)、并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)、艦艇操縱控制與仿真等。

彭利坤（1975-），男，博士研究生，副教授，研究方向：機(jī)電液控制與仿真、并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)等。