《減搖鰭系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)魯棒控制》論文發(fā)表期刊：《艦船科學(xué)技術(shù)》；發(fā)表周期：2020年22期

《減搖鰭系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)魯棒控制》論文作者信息：張俊芳 (1979 − )，女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)、電子信息工程及信號(hào)與信息處理。 1.寧夏師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，寧夏固原756000；2.寧夏師范學(xué)院納米結(jié)構(gòu)與多功能材料工程技術(shù)研究中心，寧夏固原756000；3.西安汽車職業(yè)大學(xué)陜西西安710600；4，深能保定發(fā)電有限公司，河北保定072150

　　摘要：船舶的操作性能會(huì)受到橫搖的影響，隨著橫搖的加劇，輕則會(huì)使船舶的運(yùn)營(yíng)率下降，嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)引起船體抨擊或甲板上浪等事故，對(duì)于船舶航行的安全性尤為不利。因此，必須對(duì)船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。減搖鰭在控制船舶橫搖運(yùn)動(dòng)方面的效果較好，為使該裝置的作用得以全面發(fā)揮，應(yīng)當(dāng)采用相應(yīng)的控制系統(tǒng)。從減搖緒的控制原理及系統(tǒng)構(gòu)成分析入手，提出基于變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)魯棒控制的減搖緒系統(tǒng)構(gòu)建。通過對(duì)減搖鰭控制系統(tǒng)的開構(gòu)建，能夠?qū)�減搖鰭進(jìn)行有效控制，從而最大限度地發(fā)揮出減搖的作用，保證船舶航行的穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞：減搖鰭;變結(jié)構(gòu);自適應(yīng);魯棒控制

　　Abstract: The operational performance of the ship will be affected by the roll. As the roll increases, the operation rate of the ship will be reduced slightly. In severe cases, it may cause accidents such as hull attacks or waves on the deck. Security is particularly disadvantageous. Therefore, the roll motion of the ship must be controlled. The fin stabilizer has a good ef fect in controlling the ship's rolling motion. To make the device fully play its role, the corresponding control system shoulo be adopted. Starting from the analysis of fin stabilizer control principles and system configuration, a fin stabilizer system based on variable structure adaptive robust control is proposed. Through the construction of the fin stabilizer control system the fin stabilizer can be effectively controlled, so as to maximize the effect of fin stabilizer and ensure the stability of ship navigation.

　　Key words: fin stabilizer; variable structure; adaptive; robust control

　　0引言

　　船舶作為水上交通工具，保證其在水中航行的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。由于干擾船舶航行的外在因素相對(duì)較多，如波浪、風(fēng)力等，致使船舶航行時(shí)會(huì)發(fā)生各種搖蕩，其中以橫搖運(yùn)動(dòng)最為劇烈。為減輕橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)船舶航行產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)當(dāng)采取有效的措施，對(duì)橫搖進(jìn)行抵消。減搖鰭是一種能夠減輕船舶橫搖的裝置，它在船舶中的應(yīng)用，提高了航行安全性。為充分發(fā)揮出減搖鰭的作用，可以采用變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)魯棒控制對(duì)減搖鰭進(jìn)行控制。

　　1 減搖鰭的控制原理及系統(tǒng)構(gòu)成

　　船舶在水面上航行的過程中，受到波浪、風(fēng)力的作用，不可避免地會(huì)發(fā)生搖晃，為了最大限度地減輕船舶的搖晃，減搖鰭(Fin Stabilizer簡(jiǎn)稱FS)系統(tǒng)隨之出現(xiàn)，并成為船舶上不可或缺的組成部分之一。

　　FS系統(tǒng)的減搖效果非常好，通常安裝在船舶兩側(cè)舷舵，可利用相關(guān)的機(jī)構(gòu)對(duì)減搖鰭裝置進(jìn)行操控，借助產(chǎn)生的減搖力矩來減小船的搖擺，減輕橫搖，從而使船舶在水面上保持穩(wěn)定航行"-31.1 FS的原理

　　FS最為突出的作用是減小船舶在水中的搖晃幅度，使船舶保持穩(wěn)定的航行，該裝置的減搖原理如下：通過伸出左右船舷的鰭，可以在水中產(chǎn)生與船舶橫搖方向相反的力矩，來抵抗波浪對(duì)船舶產(chǎn)生的力矩，減少波浪作用下船舶發(fā)生的橫搖幅度。FS產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩如圖1所示。

　　設(shè)FS的鰭角為ar，按照升力公式，能夠計(jì)算出鰭的升力，即

　　L-an，vic.

　　式中：p為海水的密度;Ap為鰭的投影面積(與鰭的角度有關(guān));V為船舶正常行進(jìn)時(shí)的相對(duì)速度;C為升力系數(shù)。會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)鰭而發(fā)生改變，而轉(zhuǎn)動(dòng)鰭主要是由液壓缸負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)，液壓缸則由控制中心進(jìn)行控制。換言之，鰭所產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩受控制中心的指令影響。FS可以使船舶在水面上的橫搖幅度被削弱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減輕船舶搖擺的目的，為了使這個(gè)目的能夠順利實(shí)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)達(dá)到以下3個(gè)條件：在船體的兩側(cè)至少要有一對(duì)鰭;FS系統(tǒng)能驅(qū)動(dòng)鰭擺動(dòng)，并使鰭保持穩(wěn)定，避免受到海浪的擾動(dòng)，同時(shí)還要采用一個(gè)電控系統(tǒng)來穩(wěn)定船舶。

　　1.2 FS控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　為使FS裝置的作用得以最大限度地發(fā)揮，需要對(duì)它進(jìn)行有效控制。FS控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：船舶橫搖角及航行速度檢測(cè)模塊、PID控制器、放大器、隨動(dòng)系統(tǒng)等。船舶在水面上正常航行時(shí)，受到波浪的作用會(huì)產(chǎn)生橫搖，此時(shí)Fs控制系統(tǒng)中的檢測(cè)模塊會(huì)自行對(duì)船舶的橫搖角進(jìn)行采集，并將采集到的角速度信息真接傳遞給信號(hào)處理模塊，通過放大器放太禮bl后，傳給PID控制器，當(dāng)PID接到相關(guān)信息后，會(huì)向位于船體兩側(cè)的鰭輸出轉(zhuǎn)動(dòng)命令，經(jīng)電控系統(tǒng)，對(duì)鰭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由此便可完成FS裝置對(duì)船舶橫搖的響應(yīng)，減輕橫搖幅度，保證船舶航行的安全性。

　　2基于變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)魯棒控制的減搖鰭系統(tǒng)構(gòu)建變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中較為實(shí)用的一種綜合方法，其滑動(dòng)模態(tài)具有完全自適應(yīng)性的特點(diǎn)，這也是該系統(tǒng)較為突出的一大優(yōu)勢(shì)。變結(jié)構(gòu)PID控制器的魯棒性非常好，正因如此，大部分船舶中都采用變結(jié)構(gòu)PID控制器構(gòu)建控制系統(tǒng)。

　　2.1控制算法

　　以DDC(直接數(shù)字控制)作為控制單元時(shí)，由于其本身所具備的特性，從而使得被控變量在處理時(shí)間上呈現(xiàn)出離散的特點(diǎn)。采樣控制是DDC的主要控制方式，具體的輸出值需要依托相關(guān)的控制算法得到，并將之保留至下一個(gè)采樣時(shí)刻。當(dāng)控制PID發(fā)揮作用時(shí)，只可以獲得如下信息：e(k)= r(k)-y(k)。

　　鑒于此，需要對(duì)控制算法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并結(jié)合采樣、積分和微分等方式，大體上可將離散PID算法細(xì)分為以下幾類：位置、增量、速度，在對(duì)算法進(jìn)行選擇時(shí)，除了應(yīng)當(dāng)對(duì)執(zhí)行器的形式進(jìn)行充分考慮之外，還要確保應(yīng)用的便捷性。離散PID中的比例、積分與微分均為獨(dú)立，能夠分別對(duì)它們進(jìn)行整定，不存在參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性問題，也不用對(duì)干擾系數(shù)進(jìn)行考慮。積分與微分的改進(jìn)，使PD控制變得更加靈活。

　　2.2 參數(shù)整定

　　對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定的最終目的是提高系統(tǒng)的整體性能，使其達(dá)到預(yù)期中的應(yīng)用效果。在PID中，比例P所起的控制作用最為明顯，所以需要最適宜的K，值，在此基礎(chǔ)上，對(duì)7;和T進(jìn)行引人，并挑選出最適當(dāng)?shù)闹担�這是一條比較有效的途徑。除此之外，也可以將T和 置于一個(gè)較為合理的數(shù)值，對(duì)Kc進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而得到適宜的數(shù)值。雖然這2種計(jì)算方式從表面上看是相反的，但二者的前提都是以比例P作為主體。在積分1引人時(shí)，需要充分考慮其影響，其中的優(yōu)勢(shì)為可以快速消除余差，但對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定不利。鑒于此，在對(duì)積分進(jìn)行引入后，K應(yīng)適當(dāng)減小，幅度以比例的10%左右為宜。由于高階的對(duì)象存在過渡滯后的特性，該特性會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)產(chǎn)生不利的影響。通過微分D的引人，能有效解決這一問題，所以在大部st情況下，微分D的引A能夠使K有所增加e需要注意的是，當(dāng)含噪聲時(shí)，盡量不要對(duì)D進(jìn)行直接引人，以免導(dǎo)致高頻分量放大。對(duì)于PID控制而言，穩(wěn)定性是關(guān)鍵，能夠調(diào)節(jié)的品質(zhì)指標(biāo)數(shù)量越多，PID的控制性能就越強(qiáng)，穩(wěn)定性就越高。

　　2.3控制仿真

　　在對(duì)FS進(jìn)行PID控制仿真的過程中，將船舶的航行速度設(shè)定為V-18kn，海浪波高為4.0m，利用MatLab進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖2和圖3所示。

　　從圖2和圖3可知PID控制減搖鰭的效果，減搖的倍數(shù)大約可以達(dá)到90%左右。因此仿真過程中的參數(shù)均具有可調(diào)性，在實(shí)際情況下，PID控制減搖鰭的效果更佳。

　　2.4系統(tǒng)構(gòu)建

　　在系統(tǒng)構(gòu)建過程中，控制規(guī)則是關(guān)鍵，對(duì)控制量變化進(jìn)行選擇的基本原則如下：對(duì)于誤差比較大的情況，應(yīng)當(dāng)選擇能夠盡快消除誤差的控制量;如果誤差比較小，那么在控制量的選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)過載的現(xiàn)象，可將提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性作為立足點(diǎn)。本次構(gòu)建的減搖鰭控制系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量分別為E，EC和U。在隨機(jī)的海浪下，基于變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)魯棒控制的減搖鰭控制系統(tǒng)的仿真曲線如圖4所示。

　　3結(jié)語

　　船舶在水面上航行時(shí)，不可避免地會(huì)受到波浪、風(fēng)力的作用，由此會(huì)產(chǎn)生橫搖運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于船舶的航行穩(wěn)定性非常不利。針對(duì)這一問題，可以采用減搖鰭來減輕船舶的橫搖，確保船舶的安全航行。

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