减摇鳍系统的变结构自适应鲁棒控制

《减摇鳍系统的变结构自适应鲁棒控制》论文发表期刊：《舰船科学技术》；发表周期：2020年22期

《减摇鳍系统的变结构自适应鲁棒控制》论文作者信息：张俊芳 (1979 − )，女，硕士，讲师，主要研究方向为电路与系统、电子信息工程及信号与信息处理。 1.宁夏师范学院物理与电子信息工程学院，宁夏固原756000；2.宁夏师范学院纳米结构与多功能材料工程技术研究中心，宁夏固原756000；3.西安汽车职业大学陕西西安710600；4，深能保定发电有限公司，河北保定072150

　　摘要：船舶的操作性能会受到横摇的影响，随着横摇的加剧，轻则会使船舶的运营率下降，严重时，可能会引起船体抨击或甲板上浪等事故，对于船舶航行的安全性尤为不利。因此，必须对船舶的横摇运动进行控制。减摇鳍在控制船舶横摇运动方面的效果较好，为使该装置的作用得以全面发挥，应当采用相应的控制系统。从减摇绪的控制原理及系统构成分析入手，提出基于变结构自适应鲁棒控制的减摇绪系统构建。通过对减摇鳍控制系统的开构建，能够对减摇鳍进行有效控制，从而最大限度地发挥出减摇的作用，保证船舶航行的稳定性。

　　关键词：减摇鳍;变结构;自适应;鲁棒控制

　　Abstract: The operational performance of the ship will be affected by the roll. As the roll increases, the operation rate of the ship will be reduced slightly. In severe cases, it may cause accidents such as hull attacks or waves on the deck. Security is particularly disadvantageous. Therefore, the roll motion of the ship must be controlled. The fin stabilizer has a good ef fect in controlling the ship's rolling motion. To make the device fully play its role, the corresponding control system shoulo be adopted. Starting from the analysis of fin stabilizer control principles and system configuration, a fin stabilizer system based on variable structure adaptive robust control is proposed. Through the construction of the fin stabilizer control system the fin stabilizer can be effectively controlled, so as to maximize the effect of fin stabilizer and ensure the stability of ship navigation.

　　Key words: fin stabilizer; variable structure; adaptive; robust control

　　0引言

　　船舶作为水上交通工具，保证其在水中航行的稳定性和安全性至关重要。由于干扰船舶航行的外在因素相对较多，如波浪、风力等，致使船舶航行时会发生各种摇荡，其中以横摇运动最为剧烈。为减轻横摇运动对船舶航行产生的不利影响，应当采取有效的措施，对横摇进行抵消。减摇鳍是一种能够减轻船舶横摇的装置，它在船舶中的应用，提高了航行安全性。为充分发挥出减摇鳍的作用，可以采用变结构自适应鲁棒控制对减摇鳍进行控制。

　　1 减摇鳍的控制原理及系统构成

　　船舶在水面上航行的过程中，受到波浪、风力的作用，不可避免地会发生摇晃，为了最大限度地减轻船舶的摇晃，减摇鳍(Fin Stabilizer简称FS)系统随之出现，并成为船舶上不可或缺的组成部分之一。

　　FS系统的减摇效果非常好，通常安装在船舶两侧舷舵，可利用相关的机构对减摇鳍装置进行操控，借助产生的减摇力矩来减小船的摇摆，减轻横摇，从而使船舶在水面上保持稳定航行"-31.1 FS的原理

　　FS最为突出的作用是减小船舶在水中的摇晃幅度，使船舶保持稳定的航行，该装置的减摇原理如下：通过伸出左右船舷的鳍，可以在水中产生与船舶横摇方向相反的力矩，来抵抗波浪对船舶产生的力矩，减少波浪作用下船舶发生的横摇幅度。FS产生的稳定力矩如图1所示。

　　设FS的鳍角为ar，按照升力公式，能够计算出鳍的升力，即

　　L-an，vic.

　　式中：p为海水的密度;Ap为鳍的投影面积(与鳍的角度有关);V为船舶正常行进时的相对速度;C为升力系数。会随着转动鳍而发生改变，而转动鳍主要是由液压缸负责驱动，液压缸则由控制中心进行控制。换言之，鳍所产生的稳定力矩受控制中心的指令影响。FS可以使船舶在水面上的横摇幅度被削弱，进而实现减轻船舶摇摆的目的，为了使这个目的能够顺利实现，应当达到以下3个条件：在船体的两侧至少要有一对鳍;FS系统能驱动鳍摆动，并使鳍保持稳定，避免受到海浪的扰动，同时还要采用一个电控系统来稳定船舶。

　　1.2 FS控制系统的构成

　　为使FS装置的作用得以最大限度地发挥，需要对它进行有效控制。FS控制系统由以下几个部分组成：船舶横摇角及航行速度检测模块、PID控制器、放大器、随动系统等。船舶在水面上正常航行时，受到波浪的作用会产生横摇，此时Fs控制系统中的检测模块会自行对船舶的横摇角进行采集，并将采集到的角速度信息真接传递给信号处理模块，通过放大器放太礼bl后，传给PID控制器，当PID接到相关信息后，会向位于船体两侧的鳍输出转动命令，经电控系统，对鳍进行驱动，由此便可完成FS装置对船舶横摇的响应，减轻横摇幅度，保证船舶航行的安全性。

　　2基于变结构自适应鲁棒控制的减摇鳍系统构建变结构系统是控制系统中较为实用的一种综合方法，其滑动模态具有完全自适应性的特点，这也是该系统较为突出的一大优势。变结构PID控制器的鲁棒性非常好，正因如此，大部分船舶中都采用变结构PID控制器构建控制系统。

　　2.1控制算法

　　以DDC(直接数字控制)作为控制单元时，由于其本身所具备的特性，从而使得被控变量在处理时间上呈现出离散的特点。采样控制是DDC的主要控制方式，具体的输出值需要依托相关的控制算法得到，并将之保留至下一个采样时刻。当控制PID发挥作用时，只可以获得如下信息：e(k)= r(k)-y(k)。

　　鉴于此，需要对控制算法进行适当调整，并结合采样、积分和微分等方式，大体上可将离散PID算法细分为以下几类：位置、增量、速度，在对算法进行选择时，除了应当对执行器的形式进行充分考虑之外，还要确保应用的便捷性。离散PID中的比例、积分与微分均为独立，能够分别对它们进行整定，不存在参数之间的关联性问题，也不用对干扰系数进行考虑。积分与微分的改进，使PD控制变得更加灵活。

　　2.2 參数整定

　　对控制系统的参数进行整定的最终目的是提高系统的整体性能，使其达到预期中的应用效果。在PID中，比例P所起的控制作用最为明显，所以需要最适宜的K，值，在此基础上，对7;和T进行引人，并挑选出最适当的值，这是一条比较有效的途径。除此之外，也可以将T和 置于一个较为合理的数值，对Kc进行测试，进而得到适宜的数值。虽然这2种计算方式从表面上看是相反的，但二者的前提都是以比例P作为主体。在积分1引人时，需要充分考虑其影响，其中的优势为可以快速消除余差，但对系统的稳定不利。鉴于此，在对积分进行引入后，K应适当减小，幅度以比例的10%左右为宜。由于高阶的对象存在过渡滞后的特性，该特性会对调节产生不利的影响。通过微分D的引人，能有效解决这一问题，所以在大部st情况下，微分D的引A能够使K有所增加e需要注意的是，当含噪声时，尽量不要对D进行直接引人，以免导致高频分量放大。对于PID控制而言，稳定性是关键，能够调节的品质指标数量越多，PID的控制性能就越强，稳定性就越高。

　　2.3控制仿真

　　在对FS进行PID控制仿真的过程中，将船舶的航行速度设定为V-18kn，海浪波高为4.0m，利用MatLab进行仿真，得到的结果如图2和图3所示。

　　从图2和图3可知PID控制减摇鳍的效果，减摇的倍数大约可以达到90%左右。因此仿真过程中的参数均具有可调性，在实际情况下，PID控制减摇鳍的效果更佳。

　　2.4系统构建

　　在系统构建过程中，控制规则是关键，对控制量变化进行选择的基本原则如下：对于误差比较大的情况，应当选择能够尽快消除误差的控制量;如果误差比较小，那么在控制量的选择时应当避免出现过载的现象，可将提高系统的稳定性作为立足点。本次构建的减摇鳍控制系统的输入变量和输出变量分别为E，EC和U。在随机的海浪下，基于变结构自适应鲁棒控制的减摇鳍控制系统的仿真曲线如图4所示。

　　3结语

　　船舶在水面上航行时，不可避免地会受到波浪、风力的作用，由此会产生横摇运动，这对于船舶的航行稳定性非常不利。针对这一问题，可以采用减摇鳍来减轻船舶的横摇，确保船舶的安全航行。

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