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0 減搖鰭功性概述
    船舶遇風(fēng)浪產(chǎn)生橫搖時(shí)，對船舶航行的安全性、適航性、操縱性、船上設(shè)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(jì)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(yīng)用最為廣泛、最為常用的主動(dòng)式橫搖減搖設(shè)備，它是現(xiàn)代仿生學(xué)與控制理論的結(jié)合，是在船舶工程中的一個(gè)成功的應(yīng)用事例。船舶減搖鰭采用主動(dòng)方式控制鰭產(chǎn)生扶正力矩，抵抗海浪的橫搖力矩來達(dá)到減搖目的。
1 船舶減搖鰭布局及主要技術(shù)指標(biāo)[3]
    減搖鰭一般分為收放式和不可收放式兩種，根據(jù)不同船舶對減搖能力的需要，可用一對或者兩對。每個(gè)鰭側(cè)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(nèi)設(shè)備，機(jī)械組合體和液壓控制裝置一般設(shè)在機(jī)艙內(nèi)，若兩對鰭則前對在前輔機(jī)艙，后對在后輔機(jī)艙，若一對鰭則在主機(jī)艙的前壁兩側(cè)，電控部分一般布置在主機(jī)集控室內(nèi)。
    船用減搖鰭作為一種船用設(shè)備，必須具有一定的技術(shù)性能，量化后就是技術(shù)指標(biāo)，其減搖指標(biāo)大體上主要分為兩類：一類是衡量減搖能力的定量指標(biāo)：單鰭面積及其在設(shè)計(jì)航速下的升力、左右鰭各自取正負(fù)最大攻角產(chǎn)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(biāo)：減搖倍數(shù)、減搖效率（減搖鰭將船舶橫搖角減小的百分?jǐn)?shù)）、鰭工作后船舶的剩余橫搖角大小。
2 船舶減搖鰭系統(tǒng)減搖工況運(yùn)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(shè)計(jì)。當(dāng)船以某一航速航行時(shí)，鰭轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，垂直鰭面產(chǎn)生升力，形成扶正力矩，從而達(dá)到減搖的目的。當(dāng)系統(tǒng)工作于減搖狀態(tài)時(shí)，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(jīng)過放大計(jì)算后得到轉(zhuǎn)鰭主令信號，分別饋送到各個(gè)獨(dú)立的電液隨動(dòng)系統(tǒng)，隨動(dòng)系統(tǒng)將電的主令信號轉(zhuǎn)化為鰭的轉(zhuǎn)角，在流體動(dòng)力的作用下，由鰭產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩去反抗波浪力矩，以達(dá)到減小船舶的橫搖。計(jì)程儀將船舶的航速測出來送到控制箱中的航速調(diào)節(jié)插件，它自動(dòng)地進(jìn)行航速靈敏度調(diào)節(jié)，當(dāng)航速超過設(shè)計(jì)航速時(shí)，自動(dòng)降低靈敏度從而減小鰭的轉(zhuǎn)角。系統(tǒng)工況原理如下圖1所示：

    圖1   船舶減搖鰭系統(tǒng)減搖工況運(yùn)行原理框圖
2.2 環(huán)節(jié)模型處理[4]
2.2.1 船舶的橫搖模型
船舶的搖擺運(yùn)動(dòng)主要由海浪引起，如果橫搖運(yùn)動(dòng)角度較小，可以應(yīng)用線性橫搖理論來分析船舶的橫搖運(yùn)動(dòng) ，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(zhì)量慣性矩（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）和附加質(zhì)量慣性矩（附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量），2Nμ為單位橫搖角速度的船舶阻尼力矩（橫搖阻尼系數(shù)），D為船舶排水量，h為橫搖穩(wěn)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(tǒng)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(shù)為：為角速度傳感器的放大比例系數(shù)           （2）
某船舶傳感器數(shù)學(xué)模型為
2.2.3  電液隨動(dòng)系統(tǒng)：
    由于轉(zhuǎn)動(dòng)減搖鰭需要很大的力矩，因此減搖鰭系統(tǒng)的隨動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，數(shù)學(xué)模型近似為二階振蕩環(huán)節(jié)．傳遞函數(shù)為：（3），
式中：ws為隨動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率 (s^-1)；n_s為隨動(dòng)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)（kg?s/cm）。
2.2.4船舶橫搖傳遞函數(shù)
    由線性橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型可知：船對海浪波傾角的傳遞函數(shù)為：式中：Ｔφ為船舶橫搖的固有周期(s)；n_μ為無因次阻尼衰減系數(shù)。將某一船型參數(shù)代入得：（4）
2.2.5鰭角到波傾角的轉(zhuǎn)換系數(shù):
    式中：：Kα為鰭角到波傾角的轉(zhuǎn)換系數(shù)，該系數(shù)實(shí)際與很多因素有關(guān)，作系統(tǒng)分析時(shí)，我們設(shè)為靜態(tài)。Kα=0.2564          （5）
2.2.6 航速調(diào)節(jié)器
    由于鰭產(chǎn)生的扶正力矩與船航速的平方成正比，當(dāng)航速過快時(shí),鰭產(chǎn)生的扶正力矩很大,此時(shí)系統(tǒng)的開環(huán)增益加大,穩(wěn)定性降低,故需要采取一定的措施,限制系統(tǒng)的開環(huán)增益.對于不同的航速調(diào)整最大鰭角θ_max,,使鰭產(chǎn)生的最大扶正力矩保持在設(shè)定值.航速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律為：
當(dāng)V小于6節(jié)時(shí)，β_max(v)=0；
當(dāng)V大于6節(jié)小于V0時(shí)，β_max(v)= β_m0
當(dāng)V大于V0時(shí)，β_max(v)=V₀β_m0/V
3船舶減搖鰭系統(tǒng)控制技術(shù)
    減搖鰭設(shè)計(jì)好之后，提高鰭的減搖效果完全取決于控制規(guī)律的選擇。在實(shí)際船舶減搖鰭系統(tǒng)中，目前經(jīng)典PID控制仍是最常用的控制規(guī)律，其方法簡單，魯棒性強(qiáng)，可以在特定的船舶參數(shù)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(gè)高度復(fù)雜、不確定和非線性嚴(yán)重的系統(tǒng)，當(dāng)船舶的橫搖阻尼或橫搖周期發(fā)生變化時(shí)，或當(dāng)浪向與船舶航行的夾角發(fā)生變化等情況時(shí)，經(jīng)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(xué)的發(fā)展，船舶減搖鰭控制策略的發(fā)展已經(jīng)從經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論進(jìn)入智能控制理論研究的階段，本文即闡述比數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)簡單、工作性能穩(wěn)定以及控制精度高等特點(diǎn)，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)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(shí)際系統(tǒng)中，常常無法獲得控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，有的系統(tǒng)具有時(shí)變性、非線性，有的系統(tǒng)存在隨機(jī)干擾等，比較難達(dá)到預(yù)期的效果。由于船舶橫搖運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重的非線性和時(shí)變性及復(fù)雜的力學(xué)機(jī)理，建立精確的數(shù)學(xué)模型是困難的，并且在不同的海況下其數(shù)學(xué)模型是變化的，比如在船舶橫搖角度較小時(shí)，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(shù)學(xué)模型、并具有嚴(yán)重非線性的時(shí)變系統(tǒng)，將模糊控制應(yīng)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(shù)為：式中：為船舶橫搖角速度，為控制器的輸出；K_P，K_I，K_D為PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)。
理論上，K_P，K_I，K_D顯然與船舶的橫搖參數(shù)ω、υ 及減搖鰭伺服控制系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。但實(shí)際選擇是很困難的，需要掌握大量的實(shí)船實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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?yàn)槲⒎指叽沃C波往往引起鰭的不規(guī)則振蕩，PID與船舶的自然橫搖周期及無因次橫搖衰減系數(shù)有很大的關(guān)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(shù)、不同浪向和頻率等發(fā)生變化，PID就很難實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)控制，達(dá)不到預(yù)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(fā)表了著名的“Fuzzy Sets”論文以來，模糊集理論及應(yīng)用研究不斷深入，在控制領(lǐng)域形成了一門新技術(shù)――模糊控制。模糊控制具有不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)簡單、應(yīng)用靈活、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，在經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論難以應(yīng)用的場合發(fā)揮了很大的作用。
模糊(fuzzy)控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為基礎(chǔ);采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。因此，模糊控制系統(tǒng)的組成具有常規(guī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：
3.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)
減搖鰭模糊控制器的設(shè)計(jì)采用雙輸入、單輸出系統(tǒng)．輸入量為橫搖角φ和橫搖角速度，輸出量為控制隨動(dòng)系統(tǒng)的電壓信號u_α；橫搖角φ和橫搖角速度經(jīng)量化以后分別得到的e和ec；均采用7個(gè)模糊子集｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，論域[-3，3]，經(jīng)模糊推理得到的結(jié)果du經(jīng)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(shù)．
（3.3.1）從以往的減搖鰭控制中可以總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：
    （l）如果船往左邊偏一個(gè)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(gè)大的角度．
    （2）如果船向左邊偏一個(gè)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(gè)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(gè)較大的角度．
……………
    總之，確定控制量的原則是：當(dāng)誤差橫搖角φ較大時(shí)，取uα較大值以盡快消除誤差,當(dāng)誤差較小時(shí)，uα取較小值以防止超調(diào)。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想將經(jīng)驗(yàn)規(guī)則列表如下（見表1）
模糊控制規(guī)則表1