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0 減搖鰭功性概述
船舶遇風浪產生橫搖時，對船舶航行的安全性、適航性、操縱性、船上設備的使用效率、船上人員的舒適性和貨物的安全性影響很大。從20世紀初，人們就尋求各種減搖裝置如舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙和舵減搖裝置等。減搖鰭是目前應用最為廣泛、最為常用的主動式橫搖減搖設備，它是現代仿生學與控制理論的結合，是在船舶工程中的一個成功的應用事例。船舶減搖鰭采用主動方式控制鰭產生扶正力矩，抵抗海浪的橫搖力矩來達到減搖目的。
1 船舶減搖鰭布局及主要技術指標[3]
減搖鰭一般分為收放式和不可收放式兩種，根據不同船舶對減搖能力的需要，可用一對或者兩對。每個鰭側伸于舷外，大致和船舶舭龍骨在一條直線上。減搖鰭的其他艙內設備，機械組合體和液壓控制裝置一般設在機艙內，若兩對鰭則前對在前輔機艙，后對在后輔機艙，若一對鰭則在主機艙的前壁兩側，電控部分一般布置在主機集控室內。
船用減搖鰭作為一種船用設備，必須具有一定的技術性能，量化后就是技術指標，其減搖指標大體上主要分為兩類：一類是衡量減搖能力的定量指標：單鰭面積及其在設計航速下的升力、左右鰭各自取正負最大攻角產生最大升力的船傾角度和生搖能力。另一類是衡量減搖效果的定量指標：減搖倍數、減搖效率（減搖鰭將船舶橫搖角減小的百分數）、鰭工作后船舶的剩余橫搖角大小。
2 船舶減搖鰭系統減搖工況運行原理
2. 1減搖鰭工作原理[2]
減搖鰭是減小船舶橫搖的一種有效裝置，它采用力矩對抗原理設計。當船以某一航速航行時，鰭轉動一角度，垂直鰭面產生升力，形成扶正力矩，從而達到減搖的目的。當系統工作于減搖狀態時，船舶受波浪干擾力矩的作用而搖擺，布置在減搖鰭控制室的角速度傳感器測出船的橫搖角速度，以電壓的形式輸出到控制箱中的前置放大器，經過放大計算后得到轉鰭主令信號，分別饋送到各個獨立的電液隨動系統，隨動系統將電的主令信號轉化為鰭的轉角，在流體動力的作用下，由鰭產生的穩定力矩去反抗波浪力矩，以達到減小船舶的橫搖。計程儀將船舶的航速測出來送到控制箱中的航速調節插件，它自動地進行航速靈敏度調節，當航速超過設計航速時，自動降低靈敏度從而減小鰭的轉角。系統工況原理如下圖1所示：
圖1 船舶減搖鰭系統減搖工況運行原理框圖
2.2 環節模型處理[4]
2.2.1 船舶的橫搖模型
船舶的搖擺運動主要由海浪引起，如果橫搖運動角度較小，可以應用線性橫搖理論來分析船舶的橫搖運動 ，由單自由度Conolly模型，船舶的橫搖方程可以表示為：
（1）
式中φ為橫搖角，Ix和ΔIx分別為相對于船舶重心縱軸的質量慣性矩（轉動慣量）和附加質量慣性矩（附加轉動慣量），2Nμ為單位橫搖角速度的船舶阻尼力矩（橫搖阻尼系數），D為船舶排水量，h為橫搖穩心高， 為有效波傾角。
2.2.2 角速度傳感器模型
角速度陀螺是控制系統中的測量元件，測量航行中的船舶角速度信號，以電壓信號輸出，其線性度較好，所以可做線性元件處理。角速度傳感器對船的橫搖角傳遞函數為：
為角速度傳感器的放大比例系數 （2）
某船舶傳感器數學模型為 
2.2.3 電液隨動系統：
由于轉動減搖鰭需要很大的力矩，因此減搖鰭系統的隨動系統采用液壓驅動，數學模型近似為二階振蕩環節．傳遞函數為：
（3），
式中：ws為隨動系統的固有頻率 (s-1)；ns為隨動系統的阻尼系數（kg?s/cm）。
2.2.4船舶橫搖傳遞函數
由線性橫搖運動數學模型可知：船對海浪波傾角的傳遞函數為：
式中：Ｔφ為船舶橫搖的固有周期(s)；nμ為無因次阻尼衰減系數。將某一船型參數代入得：
（4）
2.2.5鰭角到波傾角的轉換系數:
式中：：Kα為鰭角到波傾角的轉換系數，該系數實際與很多因素有關，作系統分析時，我們設為靜態。Kα=0.2564 （5）
2.2.6 航速調節器
由于鰭產生的扶正力矩與船航速的平方成正比，當航速過快時,鰭產生的扶正力矩很大,此時系統的開環增益加大,穩定性降低,故需要采取一定的措施,限制系統的開環增益.對于不同的航速調整最大鰭角θmax,,使鰭產生的最大扶正力矩保持在設定值.航速調節器的調節規律為：
當V小于6節時，βmax(v)=0；
當V大于6節小于V0時，βmax(v)= βm0
當V大于V0時，βmax(v)=V0βm0/V
3船舶減搖鰭系統控制技術
減搖鰭設計好之后，提高鰭的減搖效果完全取決于控制規律的選擇。在實際船舶減搖鰭系統中，目前經典PID控制仍是最常用的控制規律，其方法簡單，魯棒性強，可以在特定的船舶參數和特定的使用工況下，使減搖鰭裝置具有滿意的減搖效果。但由于船舶是一個高度復雜、不確定和非線性嚴重的系統，當船舶的橫搖阻尼或橫搖周期發生變化時，或當浪向與船舶航行的夾角發生變化等情況時，經典的PID控制方法就不能獲得滿意的減搖效果。隨著控制科學的發展，船舶減搖鰭控制策略的發展已經從經典控制理論，現代控制理論進入智能控制理論研究的階段，本文即闡述比數學PID控制方法更為高級的模糊智能控制方法。
PID控制器以其結構簡單、工作性能穩定以及控制精度高等特點，己經廣泛應用于各種自動控制系統中。但是，其高精度的控制效果依賴于控制對象模型的精確性。在實際系統中，常常無法獲得控制對象的精確數學模型，有的系統具有時變性、非線性，有的系統存在隨機干擾等，比較難達到預期的效果。由于船舶橫搖運動嚴重的非線性和時變性及復雜的力學機理，建立精確的數學模型是困難的，并且在不同的海況下其數學模型是變化的，比如在船舶橫搖角度較小時，可以用線性的模型描述，但是對于大角度橫搖，許多非線性的因素就比較突出了。針對船舶橫搖這種無法獲得精確數學模型、并具有嚴重非線性的時變系統，將模糊控制應用于其上以提高控制效果是有必要的[6]。
3.1 PID控制器
PID控制是一種簡單的控制方法，其傳遞函數為：
式中：
為船舶橫搖角速度，
為控制器的輸出；KP，KI，KD為PID控制器的比例、積分和微分系數。
理論上，KP，KI，KD顯然與船舶的橫搖參數ω、υ 及減搖鰭伺服控制系統參數有關。但實際選擇是很困難的，需要掌握大量的實船實驗數據才可能得到船舶在各種橫搖干擾頻率下的最佳減搖效果，因為微分高次諧波往往引起鰭的不規則振蕩，PID與船舶的自然橫搖周期及無因次橫搖衰減系數有很大的關系。一旦由于船舶裝載量和上層建筑的更改等因素的變化，鰭橫搖周期、衰減系數、不同浪向和頻率等發生變化，PID就很難實現其最優控制，達不到預期的減搖效果。
3.2 模糊邏輯控制[5]
自1965年美國L.A.Zadeh教授發表了著名的“Fuzzy Sets”論文以來，模糊集理論及應用研究不斷深入，在控制領域形成了一門新技術――模糊控制。模糊控制具有不依賴被控對象的精確數學模型、設計簡單、應用靈活、魯棒性強等特點，在經典和現代控制理論難以應用的場合發揮了很大的作用。
模糊(fuzzy)控制系統是一種自動控制系統，它以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規則推理為基礎;采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環結構的數字控制系統。因此，模糊控制系統的組成具有常規計算機控制系統的結構形式，模糊控制系統結構如圖2所示：
3.3 模糊控制器的設計
減搖鰭模糊控制器的設計采用雙輸入、單輸出系統．輸入量為橫搖角φ和橫搖角速度
，輸出量為控制隨動系統的電壓信號uα；橫搖角φ和橫搖角速度經量化以后分別得到的e和ec；均采用7個模糊子集｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，論域[-3，3]，經模糊推理得到的結果du經量化后得到uα,du的模糊子集為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，其論域同樣為［-3，3］．輸入量和輸出量均采用三角形分布隸屬函數．
（3.3.1）從以往的減搖鰭控制中可以總結出一些經驗規則：
（l）如果船往左邊偏一個較大的角度，角速度向左邊較大,則減搖鰭的鰭角向右邊打一個大的角度．
（2）如果船向左邊偏一個較大的角度，角速度向右邊小，則減搖鰭不對它加以控制．
（3）如果船向左邊偏一個小的角度，而且角速度也向左較大，則減搖鰭的鰭角向右打一個較大的角度．
……………
總之，確定控制量的原則是：當誤差橫搖角φ較大時，取uα較大值以盡快消除誤差,當誤差較小時，uα取較小值以防止超調。根據上述設計思想將經驗規則列表如下（見表1）
模糊控制規則表1
(3.3.2) 通過Fuzzy toolbox的模糊規則編輯器將表1規則以“if…then”的形式輸入到模糊控制規則庫.
推理算法用Mamdani推理法,解模糊方法采用重心法。產生的控制規則曲面如上圖。
4模糊控制器與PID控制器仿真結果比較及結論
針對某型船建立以上控制模型，并在不同有義波高、航速和波傾角條件下分別對模糊控制器和傳統PID控制器進行了仿真，由于篇幅所限，這里只給出在有義波高4.5m、航速15kn時，波傾角為60º的仿真結果.從仿真結果來看，使用模糊控制器的減搖鰭在不同海情下均表現出良好的減搖效果.模糊控制器對于抑制干擾和噪聲，提高控制品質是非常有效的，在設計新型減搖鰭控制系統時可使用。且可以斷言，也能方便地應用于其他工業過程控制中，具有較高的實際應用價值。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號