孫英培，尤冬梅

(河南理工大學(xué)鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁 458030)

0 引言

航行中的船舶在海流、海浪等外界因素的擾動下，船體會發(fā)生各種搖蕩運(yùn)動。其中，橫搖運(yùn)動對船舶的安全性、穩(wěn)定性造成的影響最大，當(dāng)橫搖運(yùn)動的劇烈程度超過船舶自身的平衡位置時，船體就會出現(xiàn)側(cè)翻、傾覆等嚴(yán)重事故。因此，解決船舶在風(fēng)浪條件下的穩(wěn)態(tài)特性非常重要。減搖設(shè)備作為一種船舶主動提高穩(wěn)定性的裝置，目前在各類船舶上獲得了廣泛應(yīng)用，當(dāng)前使用量最大的減搖設(shè)備是減搖鰭，減搖鰭的工作原理基于流體動力學(xué)特性，當(dāng)減搖鰭與流體之間發(fā)生相對運(yùn)動時，流體在減搖鰭表面形成壓力差，給減搖鰭一個反向力和力矩，從而抵抗來自海浪和洋流的干擾力[1]。

減搖鰭盡管應(yīng)用廣泛，但也存在一定的局限性。當(dāng)船舶在靜止或者航速較低的情況下，減搖鰭產(chǎn)生的抵抗力矩非常小，減搖效果不明顯。本文針對這一問題進(jìn)行研究，通過分析減搖鰭的工作原理，采用一種基于嵌入式控制技術(shù)的主動式減搖鰭，結(jié)合控制理論實(shí)現(xiàn)了減搖鰭的主動控制，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 船舶橫搖運(yùn)動數(shù)學(xué)建模與減搖原理分析

船舶的減搖特性與其流體動力學(xué)特性密切相關(guān)，因此，首先對船舶的橫搖運(yùn)動、力學(xué)邊界等方面進(jìn)行研究，建立船舶的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 船舶的力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of ships

首先建立船舶運(yùn)動方程：

式中：M為船舶質(zhì)量；u˙ 和v˙分別為2個方向的加速度；w為船舶角速度； θ為橫搖角度；h為吃水深度；T0為 受到的干擾轉(zhuǎn)矩；F0為受到的干擾力；J為轉(zhuǎn)動慣量；?J為附加轉(zhuǎn)動慣量[2]； κ 為流體阻尼系數(shù)；D為船寬。

船舶橫搖運(yùn)動的周期按下式計(jì)算：

建立減搖鰭的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 減搖鰭的力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of fin stabilizer

減搖鰭受到的波浪彎矩為：

式中：Lb為減搖鰭弦長；B為寬度；δ為減搖鰭的載重系數(shù)， δ ≈0.5；k1，k2為彎矩系數(shù)，按照下式計(jì)算：

減搖鰭受到的扭矩為：

式中： α為扭轉(zhuǎn)角度；Ct為扭矩系數(shù)，Ct=0.26；h0為重心位置的深度。

減搖鰭在工作過程中必須要產(chǎn)生與干擾力大小一樣，方向相反的效果，定義船舶的速度為V1，海水密度 ρ0，由上述力學(xué)模型可知，減搖鰭需要產(chǎn)生的反作用力[3]為：

式中：S為比表面積； δ為減搖鰭的升力系數(shù)，升力系數(shù)的大小與減搖鰭的形狀和材料有關(guān)。

減搖鰭在流體中需要產(chǎn)生的抵抗力矩為：

2 基于嵌入式控制技術(shù)的減搖鰭自適應(yīng)控制器開發(fā)

2.1 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的減搖鰭是一種被動式的減搖，對船舶速度等因素有較高的要求，針對這一局限性，本文引入一種嵌入式控制的自適應(yīng)減搖鰭系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢在于通過嵌入式控制器，實(shí)現(xiàn)減搖鰭角度和鰭面的變化，調(diào)整減搖鰭產(chǎn)生的減搖力和力矩。

圖3為基于嵌入式控制技術(shù)的減搖鰭自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理。

圖3 基于嵌入式控制技術(shù)的減搖鰭自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理Fig. 3 Principle of adaptive control system for fin stabilizer based on embedded control technology

減搖鰭自適應(yīng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成包括測量元件、控制器、隨動系統(tǒng)和輔助部分等。

1）測量元件

測量元件以傳感器為主，在船舶減搖控制過程中，為了合理控制減搖鰭鰭面與角度，需要采集船舶的航行速度、加速度、橫搖角速度等信號，通常采用角速度陀螺儀等設(shè)備[4]。測量元件采集的信號是減搖鰭嵌入式控制系統(tǒng)的輸入信號，信號需要通過積分、噪聲過濾等環(huán)節(jié)。加速度儀具有體積小、精度高的優(yōu)點(diǎn)，使用加速度儀可以采集船舶橫搖運(yùn)動、航向運(yùn)動的加速度信號。

除了角速度傳感器外，航行速度信號由計(jì)程儀設(shè)備采集，航行速度信號同樣也是減搖鰭嵌入式控制系統(tǒng)的輸入信號。

2）嵌入式控制器

嵌入式控制器是系統(tǒng)的核心，通過采集測量元件的信號獲取船舶的橫搖運(yùn)動狀態(tài)，結(jié)合內(nèi)部的控制邏輯與傳遞函數(shù)，得到船舶減搖鰭的最佳控制策略，然后將控制信號發(fā)送至船舶減搖鰭隨動系統(tǒng)，由電液控制器驅(qū)動減搖鰭進(jìn)行鰭面的變換。

3）隨動系統(tǒng)

隨動系統(tǒng)是指減搖鰭自適應(yīng)控制系統(tǒng)的信號前處理和后處理單元，包括測量信號的功率放大、信號噪聲濾波等，隨動系統(tǒng)必須具有高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，從而保障嵌入式控制器發(fā)出的控制指令能夠準(zhǔn)確和快速的傳遞至驅(qū)動模塊，在船舶橫搖運(yùn)動失控之前，調(diào)整船舶減搖鰭的鰭面[5]。

4）輔助部分

主要是指船舶減搖鰭控制系統(tǒng)的電源模塊、液壓控制回路等，輔助部分也是減搖鰭自適應(yīng)控制系統(tǒng)不可缺少的部分。

嵌入式減搖鰭控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如下：

1）橫搖運(yùn)動傳遞函數(shù)

式中：?(s)為橫搖角度；α(s)為波浪傾角。

2）測量元件傳遞函數(shù)

3）隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)；

式中：KQ為隨動系統(tǒng)的增益。

4）嵌入式控制器的傳遞函數(shù)

式中：Kp為 嵌入式系統(tǒng)積分系數(shù)；KI為嵌入式系統(tǒng)比例系數(shù)；KD為嵌入式系統(tǒng)微分系數(shù)。

圖4為嵌入式系統(tǒng)測量元件采集的一段時間內(nèi)船舶橫搖角度曲線。

圖4 船舶橫搖角度曲線Fig.4 Curveof ship roll angle

2.2 主動式減搖鰭的形狀設(shè)計(jì)及仿真

在減搖鰭嵌入式控制系統(tǒng)中，減搖鰭的表面積形狀設(shè)計(jì)方程為：

式中：B0為 吃水線上的減搖鰭面寬度[6]；L為吃水線上的減搖鰭長度；D0為減搖鰭排水量；T為運(yùn)動周期；V為與水流的相對速度。

結(jié)合軟件程序進(jìn)行減搖鰭自適應(yīng)控制系統(tǒng)的性能仿真，采用的減搖鰭參數(shù)為B0=2.3 m，D0取105 L，V取50 km/h 和60 km/h。仿真邊界條件如表1所示。

表1 減搖鰭控制系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameter table of fin stabilizer control system

圖5為仿真得到的V取50 km/h 和60 km/h 兩種流體相對速度下的橫搖角度控制曲線?？芍?，

圖5 兩種波浪高度下的橫搖角度控制曲線Fig.5 Roll angle control curvesfor two wave heights

3 結(jié)語

主動式減搖鰭具有更高的靈活性，在實(shí)際應(yīng)用中減搖效果也更好。本文結(jié)合嵌入式控制技術(shù)，開發(fā)了一種減搖鰭自適應(yīng)控制系統(tǒng)，從減搖鰭工作原理、自適應(yīng)控制器原理和仿真等方面進(jìn)行詳細(xì)研究。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效提高船舶橫搖運(yùn)動的穩(wěn)定性。