艦船液壓起重機波浪補償消擺控制技術(shù)研究

蔡冬林

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機工程系，江蘇 南通 226010)

艦船液壓起重機波浪補償消擺控制技術(shù)研究

蔡冬林

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機工程系，江蘇 南通 226010)

艦船上的液壓起重機工作在動態(tài)顛簸過程中，很容易受到波浪的影響造成搖擺。為此提出一種小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化算法來解決艦船液壓起重機波浪補償消擺控制問題。在控制算法中引入排擠因子，利用控制數(shù)據(jù)中的相互約束作用形成小的控制單元，以此來提高收斂的速度，維持控制過程的快速性，保證控制精度。實驗表明，這種方法能夠有效解決艦船液壓起重機波浪補償消擺控制問題，保證了船舶機械自動控制的準(zhǔn)確性。

艦船液壓起重機；波浪補償；控制技術(shù)

0 引 言

近年來，艦船用液壓起重機的穩(wěn)定控制問題，已成為艦船科學(xué)中的最主要研究問題，其應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)工程、船舶水力工程、船舶設(shè)計工程與電子工程等眾多領(lǐng)域中[1]。其中，在其應(yīng)用于船舶機械中自動控制系統(tǒng)時，首先需要調(diào)節(jié)不同多個控制變量，如變壓器檔位燈、發(fā)電機端的電壓控制和并聯(lián)電路時的電流控制，變量調(diào)節(jié)完成后，為了保證控制過程的穩(wěn)定性和可靠性，還需采用多目標(biāo)優(yōu)化算法，尋求船舶穩(wěn)定控制的最優(yōu)解。

但是，在一些機械設(shè)備的工作環(huán)境中，船舶的風(fēng)浪給機械設(shè)備的控制過程帶來較大問題。控制過程的多目標(biāo)優(yōu)化問題，是目前實現(xiàn)波浪補償消擺控制的關(guān)鍵問題。由于其多目標(biāo)優(yōu)化求解過程較為繁瑣，且解集往往存在不連續(xù)且分布不均勻等問題，因此難度遠(yuǎn)高于單目標(biāo)優(yōu)化[2]。在優(yōu)化的過程中，考慮到控制解集的真實性，為實現(xiàn)解集盡可能的接近真實解，專家學(xué)者已將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)移到快速且高效的多目標(biāo)優(yōu)化算法上[3-4]。

根據(jù)實際需求可知，控制器輸出端必須滿足不同海域風(fēng)量條件下的目標(biāo)動態(tài)最優(yōu)，也就是所需解決波浪補償消擺控制多目標(biāo)優(yōu)化問題[5]。考慮到船舶機械工程實際應(yīng)用與需要，由于控制器輸出端的各供電量互不相同，導(dǎo)致求解容易出現(xiàn)分布不均勻的情況，加大了多目標(biāo)優(yōu)化的難度[6]。在傳統(tǒng)的船舶起重機設(shè)備中，一般采用機械的數(shù)學(xué)規(guī)劃法，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，然后采用加權(quán)的方式對其求解，但這種方法只對選取的單目標(biāo)有積極作用[7]，對其他目標(biāo)的優(yōu)化求解性能極其不理想；而且，若所需優(yōu)化多目標(biāo)的分布并不均勻，則傳統(tǒng)方法無法對其實施求解過程，不能有效地求出并確定優(yōu)化解集，得到的優(yōu)化結(jié)果不均勻，且與真實解集之間偏差過大，不符合當(dāng)今船舶機械工程實踐中工程質(zhì)量的要求，達(dá)不到多目標(biāo)優(yōu)化效率及質(zhì)量[8-10]。

因此，針對傳統(tǒng)方法存在的以上問題，為了實現(xiàn)快速高效地控制艦船液壓起重機波浪補償消擺，使控制優(yōu)化解集更加接近真實解，本文提出一種小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化算法，來解決艦船液壓起重機波浪補償消擺控制問題。在控制算法中引入排擠因子，利用控制數(shù)據(jù)中的相互約束作用，形成小的控制單元，以此來維持控制過程的快速性，保證控制精度。實驗表明，這種方法能夠有效解決艦船液壓起重機波浪補償消擺控制問題，保證了船舶機械自動控制的準(zhǔn)確性。

1 艦船液壓起重機波浪補償消擺控制的目標(biāo)函數(shù)設(shè)計

在艦船液壓起重機的動態(tài)控制系統(tǒng)中，不同控制站點之間并非毫無聯(lián)系，當(dāng)水流發(fā)生不同程度的顛波時，會對控制過程造成一定影響，時間與顛簸程度之間的非線性致使產(chǎn)生的影響也是非線性的，海洋顛簸環(huán)境對控制過程產(chǎn)生的影響，會隨著控制系統(tǒng)的運行過程不斷加大，由于兩者之間的這種緊密的關(guān)系，使得運作流程都會受到影響。如今，現(xiàn)有的艦船液壓起重機的動態(tài)控制系統(tǒng)，不能精準(zhǔn)的表達(dá)出擺動與風(fēng)浪強度之間的關(guān)系，所以艦船液壓起重機的動態(tài)控制系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化效率普遍偏低。利用不同設(shè)備之間的非線性關(guān)系，對艦船液壓起重機各個部分之間的相互作用組建方程，對其進(jìn)行表述，用這個方法來確保控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，提高其精準(zhǔn)度。

現(xiàn)假設(shè)在此艦船液壓起重機穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備的個數(shù)為n個，在任意時間點或任意的時間段內(nèi)，波浪對船舶穩(wěn)定性的影響，是從一側(cè)沖擊發(fā)起，另一側(cè)沖擊結(jié)束，這一過程水的流量并不發(fā)生變化，把設(shè)備之間相互影響的關(guān)系組建成一個非線性方程。設(shè)第i個站點的水流經(jīng)量用Qi表示，其它設(shè)備沖擊此設(shè)備的水流量用ri表示，沖擊艦船液壓起重機的水流量用qij表示，用pij表示不同的設(shè)備之間壓力。根據(jù)艦船液壓起重機兩側(cè)的水流量相等，且不發(fā)生變化，則不同設(shè)備的水流量與系統(tǒng)管道之間的影響關(guān)系如式（1）表示：

對液壓起重機與風(fēng)浪強度之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，可對其組建非線性方程：

如式（1）所示，將影響函數(shù)G（i，j）表述成非線性方程，完成相互之間影響的準(zhǔn)確表述。

根據(jù)上述過程，完成了設(shè)備與風(fēng)浪之間相互作用的表述，可得到模型的限制范圍，對系統(tǒng)的控制進(jìn)一步優(yōu)化，式（3）為其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

式中，β為兩個相反的狀態(tài)，當(dāng)β= 0 時表示站點關(guān)閉，當(dāng)β= 1 表示風(fēng)浪沖擊模式開啟。α是換算系數(shù)。

2 小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化算法在艦船液壓起重機波浪補償消擺控制中的應(yīng)用

小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化方法不同于傳統(tǒng)算法對多目標(biāo)問題的求解過程，其通過一些分區(qū)來實現(xiàn)集合的完美分布，進(jìn)而優(yōu)化求解多目標(biāo)，以下是此實現(xiàn)此過程的具體步驟。

2.1 小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化方法的提出

小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化方法的核心是在一個固定特有的相同自然環(huán)境里衍生而來的，成員為了能夠長久的活下來，他們就通過激烈競爭以得到生存所必要的東西，小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化方法使用先進(jìn)擁擠方法，令其他的個體成員的必要條件都演變成自己的生存環(huán)境，利用該方法增強自己生存能力。該方法的首要任務(wù)就是假設(shè)各個個體i，在某個目的函數(shù)條件下的適應(yīng)度用d來描述，而且代表第i個個體的小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化的個數(shù)，相關(guān)值也代表個體i的集合程度。值的具體計算公式為：

式中，Pop為整個群體；d（i，j）為第i個個體與第j個個體所形成的距離，同樣可以描述為彼此的相近度。除此之外，sh[d] 函數(shù)的表示成：

式中，σ為小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化的面積，其公式表示為：

式中：為解集分布度函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差，它的值與變化速度是反比例關(guān)系，依據(jù)值的大小來掌握彼此之間的影響程度。也就是將數(shù)字變小，它對適應(yīng)程度的影響較大，進(jìn)一步就確保個體的密度值能夠體現(xiàn)解集實際的分布均勻狀況。若將其變成比較大的數(shù)值，則其值就會立即改變適應(yīng)度，導(dǎo)致解集彼此之間的關(guān)聯(lián)不大，不會出現(xiàn)緩慢過度的情況，所以說，這個值直接決定著解集的分散均勻性與緊密程度，因此可以利用小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化方法產(chǎn)生個體環(huán)境，同時采用恰當(dāng)?shù)闹担湍艽_保其非均勻性。

2.2 算法在艦船液壓起重機波浪補償消擺控制中的應(yīng)用

為了解決艦船液壓起重機波浪補償消擺控制多目標(biāo)優(yōu)化難題，解集不均勻、不是整體的問題，在整體分布比較好的情況下，小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化方法可以很好的解決這個問題。傳統(tǒng)方法缺點就是不能將其當(dāng)作完整的個體，造成分布性較差。小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化方法就是確保解集的分布程度好，將其變成盡可能多的小區(qū)域，進(jìn)而達(dá)到解集的分散效果。

利用構(gòu)造集的調(diào)配手段來建立艦船液壓起重機波浪補償消擺控制中小區(qū)域網(wǎng)格，采用回溯方法調(diào)配個體。艦船液壓起重機波浪補償消擺控制中，小區(qū)域集合的產(chǎn)生的具體步驟如下：

在M中抽取一個控制單元，單個個體保證不唯一特性，假設(shè)M=M-{i}，隨后設(shè)定最開始的一個空集合C，初始化成為C=?；

在艦船液壓起重機波浪補償消擺整體中控制中，在集合M里隨機選取一個控制單元個體j，也就是對比當(dāng)前艦船液壓起重機消擺狀態(tài)j與原來的狀態(tài)i，若i＞j，則取后一個體j，把它添加到新的需要控制的單元C里，此公式表示為：

把上述的新集合C融入到艦船液壓起重機波浪補償消擺控制集合M中，也就是M=M-C，之后找一個液壓起重機控制狀態(tài)k，并假定k＞i把結(jié)果添加到集合N里，表示為：

根據(jù)以上的方法連續(xù)迭代進(jìn)行步驟 2 到步驟 4 的操作，并對其判斷，若艦船液壓起重機波浪補償消擺控制集合M是空的，那么就不再執(zhí)行操作。

對網(wǎng)格集合迭代算法后，依舊使用進(jìn)化算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)解集，算法為：

其中：M為連續(xù)迭代后的網(wǎng)格集合，g為小區(qū)域參數(shù)，最終的優(yōu)化解集表示為：

通過采用小區(qū)域進(jìn)化方法得到規(guī)則的分布規(guī)律，利用擁擠方法解決問題，確保了其系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化解集非均勻性，最后得到了完美而又真實的控制情況。

3 實驗結(jié)果分析

為保證艦船液壓起重機波浪補償消擺控制多目標(biāo)優(yōu)化解集的控制穩(wěn)定性，提出小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化算法進(jìn)行非均勻求解。與傳統(tǒng)方法作對比，通過設(shè)計仿真實驗得出結(jié)果，實驗采用傳感器模擬環(huán)境。

利用 Visual C++6.0 軟件進(jìn)行編程，設(shè)置實驗參數(shù)為：網(wǎng)格最大格數(shù)：200；進(jìn)化最大次數(shù)：200；網(wǎng)格進(jìn)化步長：len 為多目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量；重疊率：0.7；同時，引入目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件函數(shù)為：g（x2）= 1 + 10x2；同時，滿足x1∈[0，1]，x2∈[0，1]，則此目標(biāo)函數(shù)為不均勻解集。將函數(shù)實際與優(yōu)化得到的解集進(jìn)行比較，并采用本文方法和傳統(tǒng)方法分別對此目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，用真實的解集與優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行接近程度比較，記錄下比較結(jié)果，用S表示，得到優(yōu)化準(zhǔn)確度S的計算公式為：

提出的算法，通過個體間的進(jìn)化，保證解的不均勻性，使得得到的解集更能逼近真實解，準(zhǔn)確度優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

為了突出本文提出方法的優(yōu)點，相關(guān)實驗設(shè)備是在同一船舶穩(wěn)定系統(tǒng)環(huán)境下完成實驗的。在周期性正弦命令下，翻滾角和鰭控制角形成顛簸環(huán)境模擬。比較遺傳算法、PID 算法控制器本與文算法控制器的結(jié)果可以看出，對于船舶橫搖穩(wěn)定控制信號采集的過程中，本文方法得到的多目標(biāo)優(yōu)化解，在船舶顛簸狀態(tài)控制命令下，通過優(yōu)化小區(qū)域控制解中橫搖角、鰭控制角的控制幅度。得到的數(shù)值模擬的結(jié)果最優(yōu)。由于其他方法在船舶顛簸的不確定性的影響，導(dǎo)致機械設(shè)備穩(wěn)定控制的性能發(fā)生明顯退化，此外，這些控制方法在大波浪侵襲下，還存在潛在的傾覆問題。

4 結(jié) 語

提出一種小區(qū)域分區(qū)進(jìn)化算法，來解決艦船液壓起重機波浪補償消擺控制問題。在控制算法中引入排擠因子，利用控制數(shù)據(jù)中的相互約束作用形成小的控制單元，以此來維持控制過程的快速性，保證控制精度。實驗表明，這種方法能夠有效解決艦船液壓起重機波浪補償消擺控制問題，保證了船舶機械自動控制的準(zhǔn)確性。

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Ship hydraulic crane of extinction wave compensation control technology research

CAI Dong-lin
(Nantong Shipping College, Marine Engineering Department, Nantong 226010, China)

The hydraulic crane working on the ship is easy to be affected by the wave during the dynamic process of turbulence.To solve this problem, a new algorithm to solve the problem of wave compensation and control for ship hydraulic crane is proposed.The crowding factor in the control algorithm, the control function of the data in the form of mutual restraint in order to control small units, in order to improve the convergence speed, speed to maintain process control, ensure the control precision.The experimental results show that this method can effectively solve the problem of wave compensation and anti swing control of the ship hydraulic crane, and ensure the accuracy of the automatic control of the ship's machinery.

ship hydraulic crane；compensation with the waves；the control technology

U664

：A

1672-7619(2017)01-0104-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.021

2016-10-09；

: 2016-11-18

南通市科技計劃項目（GY12015030）

蔡冬林(1973-)，男，碩士，副教授，研究方向為輪機工程。