船舶可調(diào)槳螺距模糊 PID 控制器設(shè)計(jì)

王國(guó)近，王 炅，戴金鵬，蹇安安

(武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司，湖北 武漢 430074)

船舶可調(diào)槳螺距模糊 PID 控制器設(shè)計(jì)

王國(guó)近，王 炅，戴金鵬，蹇安安

(武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司，湖北 武漢 430074)

針對(duì)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的船舶可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度建立與其適應(yīng)的船槳系統(tǒng)、柴油機(jī)系統(tǒng)、調(diào)速控制系統(tǒng)和螺距控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型。同時(shí)運(yùn)用模糊控制和 PID 控制理論，在 Matlab 仿真平臺(tái)上設(shè)計(jì)可調(diào)槳螺距的模糊 PID 控制器，調(diào)試運(yùn)行使之與可調(diào)槳?jiǎng)恿π阅芟嗥ヅ洌玫较鄳?yīng)螺距偏差、偏差變化率和螺距控制輸出量隸屬度數(shù)據(jù)。通過仿真過程離線計(jì)算得到模糊控制器輸出控制量查詢表，從而設(shè)計(jì)完成可調(diào)槳螺距的模糊PID 控制器。針對(duì)可調(diào)槳螺距控制，給定車鐘指令信號(hào)和脈沖干擾信號(hào)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，模糊 PID 控制器能有效避免可調(diào)槳控制跳動(dòng)問題，且其控制速度、精度和靈敏度較傳統(tǒng) PID 控制器具有顯著優(yōu)勢(shì)。

模糊 PID 控制理論；Matlab 仿真；可調(diào)槳；運(yùn)動(dòng)模型

0 引 言

目前，大多數(shù)船舶安裝有側(cè)推裝置，用于產(chǎn)生船舶橫向推力，從而順利離靠碼頭、進(jìn)出水閘或通過狹窄航道和水域等，作用巨大，其中可調(diào)槳可以很方便地通過改變槳葉角度實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)負(fù)荷增加或減小，改善船舶在不同航行工況下的推進(jìn)效率和操作性能，從而獲得設(shè)計(jì)者的認(rèn)可。

傳統(tǒng)意義上側(cè)推系統(tǒng)螺距調(diào)節(jié)采用閉環(huán)反饋的PID 控制理念，近些年隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，新興控制理論逐漸應(yīng)用于工業(yè)控制，其中模糊控制理論越來越受到學(xué)者的關(guān)注。本文運(yùn)用模糊 PID 控制理論，通過對(duì)船舶可調(diào)槳系統(tǒng)仿真建模，設(shè)計(jì)出螺距模糊 PID 控制器，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其較好的控制效果，從而提高船舶自動(dòng)化性能。此課題具有較高的研究意義和應(yīng)用價(jià)值，開創(chuàng)了模糊控制理論在船舶駕駛領(lǐng)域研究應(yīng)用的先河。

1 模糊 PID 控制理論

模糊系統(tǒng)理論由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)扎德教授于1965 年提出，隨著模糊系統(tǒng)理論在工業(yè)上的成功運(yùn)用，很多學(xué)者開始對(duì)模糊系統(tǒng)理論進(jìn)行研究，這大大促進(jìn)了模糊理論的發(fā)展。20 世紀(jì) 90 年代，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用和理論創(chuàng)新，模糊控制從理論上解決了2個(gè)問題：一是如何從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得模糊規(guī)則；二是如何實(shí)現(xiàn)模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這一領(lǐng)域的研究成果隨后被廣泛應(yīng)用在核電發(fā)電系統(tǒng)、汽車控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)等。

模糊控制之所以得到廣大研究學(xué)者的認(rèn)可和親睞，歸功于模糊控制的如下顯著特點(diǎn)[1]：

1）運(yùn)用模糊控制理論，不需要研究系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，因?yàn)楹芏鄰?fù)雜的工控過程難以得到精確描述。

2）模糊規(guī)則多從專家知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)得到，所以即使是非控制專業(yè)的人也可以很容易地掌握模糊控制理論。

3）模糊控制器構(gòu)造起來容易。實(shí)際模糊控制算法可以通過 PLC 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，也可以通過單片機(jī)進(jìn)行構(gòu)造。

4）模糊控制是一種人工智能控制，有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，并且對(duì)過程參數(shù)變化有很強(qiáng)的適應(yīng)性，方便調(diào)節(jié)。

在現(xiàn)實(shí)工控中，固化的 PID 控制參數(shù)很難取得很好的控制效果，因?yàn)榭刂茖?duì)象的參數(shù)常常會(huì)發(fā)生變化。那么把 PID 控制和模糊控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線自動(dòng)化調(diào)整，從而構(gòu)造模糊 PID 控制算法，設(shè)計(jì)出來的控制器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)建模

2.1 船槳系統(tǒng)模型

對(duì)于船舶可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)，主機(jī)通過傳動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生推力作用在推力軸承上，船舶最終運(yùn)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)可分解為多個(gè)子系統(tǒng)[2]，簡(jiǎn)化處理形成圖 1。

根據(jù)螺旋槳工作原理，螺旋槳淌水推力T和水力矩MP分別為：

式中：KT為螺旋槳推力系數(shù)；KQ為螺旋槳扭矩系數(shù)；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑。

根據(jù)牛頓力學(xué)定理，船舶推進(jìn)系統(tǒng)在無偏轉(zhuǎn)作用時(shí)可由以下數(shù)學(xué)式描述[3]。

動(dòng)力學(xué)關(guān)系：

運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系：

式中：Te為可調(diào)槳有效推力，N；R為船體運(yùn)動(dòng)阻力；M為船體總質(zhì)量，并考慮到隨船一起運(yùn)動(dòng)的附著水的質(zhì)量；VP為螺旋槳的進(jìn)速；VS為船舶的航速；I為螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括隨它們一起轉(zhuǎn)動(dòng)的附著水的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ns為主機(jī)轉(zhuǎn)速；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速；Md為主機(jī)輸出扭矩，為主機(jī)輸出功率；M為軸sf系的摩擦力矩M(f)=f(n)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)將其估算為螺旋槳負(fù)載力矩的 10%；Mp為螺旋槳的阻力矩，N·m；i為傳動(dòng)裝置的減速比，i=ns/n，本文中減速器的傳動(dòng)比取 5.5。

2.2 柴油機(jī)系統(tǒng)模型

柴油機(jī)系統(tǒng)的物理模型主要由柴油機(jī)本體和減速器組成。根據(jù)柴油機(jī)原理，柴油機(jī)本體模型為：

式中：be為柴油機(jī)有效燃油消耗率；PS為柴油機(jī)有效功率；n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；m為氣缸數(shù)目；gc為柴油機(jī)循環(huán)供油量；Hu為燃油的低熱值；ne為柴油機(jī)有效效率；ni為柴油機(jī)指示效率；nm為柴油機(jī)機(jī)械效率。

減速器數(shù)學(xué)模型較簡(jiǎn)單，減速齒輪箱減速比為：

經(jīng)過減速齒輪箱后主機(jī)輸出力矩為：

2.3 調(diào)速控制系統(tǒng)物理模型

柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由柴油機(jī)、電子調(diào)速器、噴油泵和供油機(jī)構(gòu)組成（見圖 2）。

柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3個(gè)基本功能：

1）負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速下降，實(shí)現(xiàn)減速增油調(diào)節(jié)動(dòng)作；

2）負(fù)荷減少，轉(zhuǎn)速上升，實(shí)現(xiàn)增速減油調(diào)節(jié)動(dòng)作；

3）負(fù)荷不變，供油不變。

建立柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)執(zhí)行器與輸出軸位移的傳遞函數(shù)為：

取拉普拉斯反變換：

式中：u為執(zhí)行器的控制信號(hào)，這里是柴油機(jī)油門的開度；L為執(zhí)行器的輸出軸位移；T1為執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù)；K1為控制增益常數(shù)。

為使調(diào)速器調(diào)節(jié)響應(yīng)較迅速，調(diào)節(jié)時(shí)間短，反應(yīng)敏捷，本文中調(diào)速器傳遞函數(shù)為[4]：

2.4 螺距控制系統(tǒng)物理模型

可調(diào)槳操作時(shí)，當(dāng)控制臺(tái)發(fā)出的螺距設(shè)定信號(hào)與螺距反饋信號(hào)進(jìn)行比較得出偏差，經(jīng)過控制器的運(yùn)算處理，按照一定規(guī)律輸出螺距調(diào)節(jié)控制信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力裝置的電液比例閥，打開相應(yīng)前進(jìn)或倒退油路，控制調(diào)距機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)螺距。

液壓動(dòng)力裝置由油箱和伺服油泵系統(tǒng)組成。調(diào)距操作時(shí)啟動(dòng)油泵，伺服油壓力調(diào)節(jié)閥保證最小的伺服油壓力，安全閥設(shè)定系統(tǒng)的最大壓力，液控單向閥保證螺距在伺服油中斷情況下保持螺距穩(wěn)定不變。

伺服油系統(tǒng)主要由伺服油泵、控制閥、油箱和管件組成。高壓油由一個(gè)伺服油泵傳動(dòng)到高壓濾器，經(jīng)過由單向閥、安全閥、壓力調(diào)節(jié)閥和電控比例閥組成的閥裝置，從比例閥出來的伺服油流入油分配器，油分配器出來的高壓油經(jīng)過液控雙單向閥到伺服活塞的一側(cè)，從另一側(cè)流出。

螺距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：

3 基于 Simulink 搭建系統(tǒng)模型

根據(jù)船槳系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，包含螺旋槳的淌水推力公式和水力矩公式，船舶運(yùn)行動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，結(jié)合推力系數(shù)、扭矩系數(shù)與螺旋槳進(jìn)程比、螺距比的關(guān)系[5]，在 Matlab 平臺(tái)上利用 Simulink 進(jìn)行模型搭建如圖 4 所示。

對(duì)于船用柴油機(jī)而言，在額定工況下指示效率一般取 0.43～0.50，機(jī)械效率一般近似取值 0.85～0.90。根據(jù)柴油機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，搭建仿真模型如圖 5 所示。

調(diào)速器與主機(jī)一起構(gòu)成主機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，調(diào)速器根據(jù)柴油機(jī)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)節(jié)噴油泵的供油量，調(diào)速器仿真模型是推進(jìn)系統(tǒng)建模及仿真研究中很重要的一部分，主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值由推進(jìn)控制系統(tǒng)仿真輸出，調(diào)速系統(tǒng)輸出得循環(huán)供油量[6-8]，具體 Simulink模型如圖 6 所示。

螺距調(diào)節(jié)值匹配調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)螺距值輸出，如圖 7 所示。

4 可調(diào)槳螺距模糊 PID 控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于船舶推進(jìn)控制系統(tǒng)，由駕駛臺(tái)發(fā)出車鐘指令，采集實(shí)際船速和實(shí)際螺距，根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷曲線獲取當(dāng)下最佳主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距值，運(yùn)用模糊控制理論設(shè)計(jì)模糊控制器，實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)在線整定[9]，最終輸出主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值和螺距調(diào)節(jié)值。

模糊控制器檢測(cè)到螺距角設(shè)定值H0，經(jīng)過螺距反饋裝置獲取螺距角H實(shí)際值，兩者比較分別計(jì)算出螺距角偏差值e及其變化率ec。通過模糊控制規(guī)則推理，合成運(yùn)算，模糊判決得到實(shí)際螺距調(diào)節(jié)值，從而控制伺服閥，驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳液壓裝置和機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)變螺距調(diào)節(jié)。模糊控制理論要求將輸入變量偏差e和偏差變化率ec量化到模糊論域并劃分為 13 個(gè)等級(jí)，模糊論域?yàn)?{- 6，- 5，- 4，- 3，- 2，- 1，0，1，2，3，4，5，6}。選擇隸屬度函數(shù)時(shí)，需要考慮很多因素，例如隸屬函數(shù)的形狀，模糊編輯器中隸屬度函數(shù)曲線有三角形、鐘形、階躍型好正弦型等[10]，這里輸入變量偏差e、偏差變化率ec和輸出變量 △H隸屬度如表 1～表 3 所示：

經(jīng)過 Matlab 程序離線計(jì)算得到模糊控制器輸出控制變量 △KP、△KI和 △KD的值，這些數(shù)值組成了模糊控制器輸出控制量查詢表。根據(jù)模糊控制器輸出控制量查詢表，可以利用 S7-1200 編寫模糊 PID 控制器程序[11]，最終實(shí)現(xiàn)可調(diào)槳螺距的模糊 PID 控制器設(shè)計(jì)。

表1 偏差模糊集隸屬度Tab. 1 Membership of deviation fuzzy set

表2 偏差變化率模糊集隸屬度Tab. 2 Membership of deviation rate fuzzy set

表3 調(diào)節(jié)量模糊集隸屬度Tab. 3 Membership of controller output deviation fuzzy set

對(duì)于可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)，通過控制手柄在 10 s 時(shí)刻給定1個(gè)螺距指令 10°，同時(shí)引入1個(gè)脈沖干擾信號(hào)。從效果圖 9 和圖 10 對(duì)比可看出，模糊 PID 控制穩(wěn)定明顯性好于 PID 控制，但是其超調(diào)時(shí)間較久。指令發(fā)出后 PID 控制反應(yīng)過渡時(shí)間為 0.8 s，實(shí)際槳角震蕩波峰值為 14.3°，模糊 PID 控制反應(yīng)過渡時(shí)間為為 1.20 s，實(shí)際槳角震蕩波峰值為 11.8°。分析這種效果產(chǎn)生的原因，模糊 PID 控制是在 PID 控制器前面引入了模糊推理系統(tǒng)，經(jīng)過輸入量偏差和偏差變化率的模糊化，模糊規(guī)則的推理，模糊判決的決斷和輸出量的去模糊化，實(shí)現(xiàn) PID 控制參數(shù)在線整定，控制效果相對(duì)較好，但是因?yàn)檫@一系列過程的進(jìn)行，使得整個(gè)控制過程反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

在上述仿真過程中，模糊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 PID 控制參數(shù)P，I和D的在線整定，模糊推理機(jī)輸出量的控制曲線如圖 11 所示。螺距調(diào)節(jié)過程中，輸出量 △KP出現(xiàn)波動(dòng)，先發(fā)生正跳變后發(fā)生負(fù)跳變，最后回歸穩(wěn)定值；輸出量 △KI出現(xiàn)波動(dòng)，先發(fā)生負(fù)跳變后發(fā)生正跳變，最后回歸穩(wěn)定值；輸出量 △KD基本無波動(dòng)。

5 結(jié) 語

本文基于 Matlab 搭建可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計(jì)用于調(diào)節(jié)螺距的模糊 PID 控制器，設(shè)計(jì)并進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)得到控制曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究成果證實(shí)模糊PID 控制器對(duì)于螺距的控制精度和穩(wěn)定性比之 PID 控制器更有優(yōu)勢(shì)，且結(jié)構(gòu)明確、實(shí)用、適應(yīng)性更強(qiáng)，這為模糊 PID 控制理論在船舶可調(diào)槳上的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

模糊控制理論廣泛應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)等，本文率先嘗試將模糊控制理論用于船舶螺距調(diào)節(jié)，并在仿真過程中模糊 PID 控制器具有較好的跟蹤性能和抗干擾能力，此研究促進(jìn)船舶工業(yè)領(lǐng)域控制理論多樣化應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)模糊 PID 控制需要準(zhǔn)確合理地獲取 PID 參數(shù)的模糊校正規(guī)則，這需要進(jìn)行精確離線仿真試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。本文不足之處，有待于進(jìn)一步將本文研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)船應(yīng)用，此為后續(xù)研究的切入點(diǎn)。

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Research on applying the fuzzy PID control theory to conrol the controllable pitch propeller

WANG Guo-jin, WANG Jiong, DAI Jin-peng, JIAN An-an
(Wuhan Haiwang Mechanical and Electronic Engineering Company, Wuhan 430074, China)

In view of the controllable pitch propulsion system driving by the diesel engine, it is necessary to establish appropriate motion models of paddle system, diesel engine system, speed control system and pitch control system from the angle of kinematics and dynamics. At the same time, the fuzzy PID controller is designed on the Matlab simulation platform by the fuzzy theory and PID theory. The corresponding pitch deviation, the deviation rate and pitch control output data are got to match the dynamic performance of controllable pitch propeller. A lookup table of the fuzzy controller output is got by offline simulation calculation. At last the fuzzy PID controller is designed completely. As to controllable pitch, the telegraph signal and pulse interference signal are given to do simulation experiment. The results confirm that the controlling jitter problem is avoided effectively with the fuzzy PID controller. Its controlling speed, accuracy and sensitivity are better than PID controller.

fuzzy PID control theory；Matlab simulation；controllable pitch propeller；motion model

TP391

A

1672 - 7619(2017)04 - 0100 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.020

2016 - 07 - 15；

2016 - 09 - 02

王國(guó)近(1989 - )，男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榇皞?cè)推控制系統(tǒng)，船舶動(dòng)力裝置等。