基于模糊理論的船舶減搖鰭控制系統研究

徐世杰 邢繼峰 彭利坤

（海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033）

基于模糊理論的船舶減搖鰭控制系統研究

徐世杰 邢繼峰 彭利坤

（海軍工程大學船舶與動力學院 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作為研究對象，應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現。基于船舶橫搖運動的線性方程對不同浪向下的船舶橫搖運動進行了系統仿真。仿真結果表明，與常規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，目前已經在各型船舶中得到廣泛的應用［1］。它能夠提高船舶的耐波性、適航性、穩定性，并能延長船舶使用壽命，改善設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的隨動系統確定后的情況下，其性能就與采取的控制策略密切相關。設計好的減搖鰭能夠使船舶在設計海況下的橫搖角度在5°以內。傳統的減搖鰭大都采用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，一旦船舶航向改變或風向改變，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算機來實現人的控制經驗。與傳統控制方法如PID控制相比，模糊控制可不依賴于精確的數學模型并能充分利用人類專家的控制經驗，對于非線性、復雜對象的控制顯示出了魯棒性好、控制性能高的優點［4］。正是基于模糊控制的上述優點，本文設計了一個減搖鰭模糊控制器。通過在線仿真得到的結果表明，與常規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

實際海面上興起的海浪是不規則的隨機波［5］。它可以看做是由無窮多個相互獨立的，具有不同幅值、頻率和初相位的規則波疊加而來的。于是定點不規則長峰波可表示為：

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為自然對數的底e=2.718 3；

v為海面上19.5m高度處的平均風速（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 船體及減搖鰭系統建模

如果船舶的橫搖運動角度較小，則可以應用線性橫搖理論來分析船舶的橫搖運動。依照Conolly的理論，船舶線性橫搖可表示為［6］：

式中：Ix為相對于通過船舶質心的縱軸的慣量；

△Ix為附加轉動慣量；

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為橫穩心高，m；

αe為遭遇波傾角，°；

Kc為減搖鰭產生的扶正力矩：

式中：ρ為海水密度；

AF為鰭的投影面積，m2；

CL為升力系數；

V為航速，kn。

減搖鰭的系統組成原理圖如圖1所示：

圖1 減搖鰭系統組成原理圖

本文選取由哈工大研制的某型減搖鰭為研究對象，各組成部分的數學模型如下：

（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中的測量元件，傳遞函數為：

（3）放大器

（4）航速靈敏度調節器

在設計海況下，航速調節器KH=1。

（5）浪級靈敏度調節器

在設計海況下，浪級調節器KL=1。

（6）隨動系統

（7）鰭角到波傾角轉換

對于NJ5型減搖鰭，從鰭角到波傾角的轉換系數為：Kα=0.254 6。

表1 模糊控制規則表

4 模糊控制器的設計

該減搖鰭模糊控制器是一個二維模糊控制器，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］，隸屬度函數采用三角分布的隸屬函數［7］。根據以往對減搖鰭控制可以總結出如下一些經驗規則，例如：

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

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

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

根據上述設計思想可得到如表1所示的控制規則。各規則中，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，各三角隸屬函數曲線沒有給出，在Matlab中利用模糊邏輯工具箱很容易實現。

5 系統仿真及結果分析

在Matlab軟件環境下利用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比如圖3所示。

由以上得到的仿真曲線可以得出如下結論：

（1）與傳統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PID更滿意的控制效果，即模糊控制器的魯棒性更強。

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，李國斌.船舶特種裝置控制系統［M］.北京：國防工業出版社，1995.

［3］金鴻章，王科俊，吉明.智能技術在船舶減搖鰭系統中的應用［M］.北京：國防工業出版社，2003.

［4］李國勇.智能控制及其Matlab實現［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［5］邱宏安.隨機海浪模型的建立及仿真分析［J］.系統仿真學報，2000，12（3）：13-15.

［6］王科俊.海洋運動體控制原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007.

［7］楊綸標，高英儀.模糊數學原理及應用［M］.廣州：華南理工大學出版社，2005.

［8］鄧薇.MATLAB函數速查手冊［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：船用機電液設備控制與仿真。

邢繼峰（1960-），男，教授，博士研究生導師。研究方向：數字液壓技術、并聯機器人技術、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：機電液控制與仿真、并聯機器人技術等。