《減搖鰭系統的變結構自適應魯棒控制》論文發表期刊：《艦船科學技術》；發表周期：2020年22期

《減搖鰭系統的變結構自適應魯棒控制》論文作者信息：張俊芳 (1979 − )，女，碩士，講師，主要研究方向為電路與系統、電子信息工程及信號與信息處理。 1.寧夏師范學院物理與電子信息工程學院，寧夏固原756000；2.寧夏師范學院納米結構與多功能材料工程技術研究中心，寧夏固原756000；3.西安汽車職業大學陜西西安710600；4，深能保定發電有限公司，河北保定072150

　　摘要：船舶的操作性能會受到橫搖的影響，隨著橫搖的加劇，輕則會使船舶的運營率下降，嚴重時，可能會引起船體抨擊或甲板上浪等事故，對于船舶航行的安全性尤為不利。因此，必須對船舶的橫搖運動進行控制。減搖鰭在控制船舶橫搖運動方面的效果較好，為使該裝置的作用得以全面發揮，應當采用相應的控制系統。從減搖緒的控制原理及系統構成分析入手，提出基于變結構自適應魯棒控制的減搖緒系統構建。通過對減搖鰭控制系統的開構建，能夠對減搖鰭進行有效控制，從而最大限度地發揮出減搖的作用，保證船舶航行的穩定性。

　　關鍵詞：減搖鰭;變結構;自適應;魯棒控制

　　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

　　船舶作為水上交通工具，保證其在水中航行的穩定性和安全性至關重要。由于干擾船舶航行的外在因素相對較多，如波浪、風力等，致使船舶航行時會發生各種搖蕩，其中以橫搖運動最為劇烈。為減輕橫搖運動對船舶航行產生的不利影響，應當采取有效的措施，對橫搖進行抵消。減搖鰭是一種能夠減輕船舶橫搖的裝置，它在船舶中的應用，提高了航行安全性。為充分發揮出減搖鰭的作用，可以采用變結構自適應魯棒控制對減搖鰭進行控制。

　　1 減搖鰭的控制原理及系統構成

　　船舶在水面上航行的過程中，受到波浪、風力的作用，不可避免地會發生搖晃，為了最大限度地減輕船舶的搖晃，減搖鰭(Fin Stabilizer簡稱FS)系統隨之出現，并成為船舶上不可或缺的組成部分之一。

　　FS系統的減搖效果非常好，通常安裝在船舶兩側舷舵，可利用相關的機構對減搖鰭裝置進行操控，借助產生的減搖力矩來減小船的搖擺，減輕橫搖，從而使船舶在水面上保持穩定航行"-31.1 FS的原理

　　FS最為突出的作用是減小船舶在水中的搖晃幅度，使船舶保持穩定的航行，該裝置的減搖原理如下：通過伸出左右船舷的鰭，可以在水中產生與船舶橫搖方向相反的力矩，來抵抗波浪對船舶產生的力矩，減少波浪作用下船舶發生的橫搖幅度。FS產生的穩定力矩如圖1所示。

　　設FS的鰭角為ar，按照升力公式，能夠計算出鰭的升力，即

　　L-an，vic.

　　式中：p為海水的密度;Ap為鰭的投影面積(與鰭的角度有關);V為船舶正常行進時的相對速度;C為升力系數。會隨著轉動鰭而發生改變，而轉動鰭主要是由液壓缸負責驅動，液壓缸則由控制中心進行控制。換言之，鰭所產生的穩定力矩受控制中心的指令影響。FS可以使船舶在水面上的橫搖幅度被削弱，進而實現減輕船舶搖擺的目的，為了使這個目的能夠順利實現，應當達到以下3個條件：在船體的兩側至少要有一對鰭;FS系統能驅動鰭擺動，并使鰭保持穩定，避免受到海浪的擾動，同時還要采用一個電控系統來穩定船舶。

　　1.2 FS控制系統的構成

　　為使FS裝置的作用得以最大限度地發揮，需要對它進行有效控制。FS控制系統由以下幾個部分組成：船舶橫搖角及航行速度檢測模塊、PID控制器、放大器、隨動系統等。船舶在水面上正常航行時，受到波浪的作用會產生橫搖，此時Fs控制系統中的檢測模塊會自行對船舶的橫搖角進行采集，并將采集到的角速度信息真接傳遞給信號處理模塊，通過放大器放太禮bl后，傳給PID控制器，當PID接到相關信息后，會向位于船體兩側的鰭輸出轉動命令，經電控系統，對鰭進行驅動，由此便可完成FS裝置對船舶橫搖的響應，減輕橫搖幅度，保證船舶航行的安全性。

　　2基于變結構自適應魯棒控制的減搖鰭系統構建變結構系統是控制系統中較為實用的一種綜合方法，其滑動模態具有完全自適應性的特點，這也是該系統較為突出的一大優勢。變結構PID控制器的魯棒性非常好，正因如此，大部分船舶中都采用變結構PID控制器構建控制系統。

　　2.1控制算法

　　以DDC(直接數字控制)作為控制單元時，由于其本身所具備的特性，從而使得被控變量在處理時間上呈現出離散的特點。采樣控制是DDC的主要控制方式，具體的輸出值需要依托相關的控制算法得到，并將之保留至下一個采樣時刻。當控制PID發揮作用時，只可以獲得如下信息：e(k)= r(k)-y(k)。

　　鑒于此，需要對控制算法進行適當調整，并結合采樣、積分和微分等方式，大體上可將離散PID算法細分為以下幾類：位置、增量、速度，在對算法進行選擇時，除了應當對執行器的形式進行充分考慮之外，還要確保應用的便捷性。離散PID中的比例、積分與微分均為獨立，能夠分別對它們進行整定，不存在參數之間的關聯性問題，也不用對干擾系數進行考慮。積分與微分的改進，使PD控制變得更加靈活。

　　2.2 參數整定

　　對控制系統的參數進行整定的最終目的是提高系統的整體性能，使其達到預期中的應用效果。在PID中，比例P所起的控制作用最為明顯，所以需要最適宜的K，值，在此基礎上，對7;和T進行引人，并挑選出最適當的值，這是一條比較有效的途徑。除此之外，也可以將T和 置于一個較為合理的數值，對Kc進行測試，進而得到適宜的數值。雖然這2種計算方式從表面上看是相反的，但二者的前提都是以比例P作為主體。在積分1引人時，需要充分考慮其影響，其中的優勢為可以快速消除余差，但對系統的穩定不利。鑒于此，在對積分進行引入后，K應適當減小，幅度以比例的10%左右為宜。由于高階的對象存在過渡滯后的特性，該特性會對調節產生不利的影響。通過微分D的引人，能有效解決這一問題，所以在大部st情況下，微分D的引A能夠使K有所增加e需要注意的是，當含噪聲時，盡量不要對D進行直接引人，以免導致高頻分量放大。對于PID控制而言，穩定性是關鍵，能夠調節的品質指標數量越多，PID的控制性能就越強，穩定性就越高。

　　2.3控制仿真

　　在對FS進行PID控制仿真的過程中，將船舶的航行速度設定為V-18kn，海浪波高為4.0m，利用MatLab進行仿真，得到的結果如圖2和圖3所示。

　　從圖2和圖3可知PID控制減搖鰭的效果，減搖的倍數大約可以達到90%左右。因此仿真過程中的參數均具有可調性，在實際情況下，PID控制減搖鰭的效果更佳。

　　2.4系統構建

　　在系統構建過程中，控制規則是關鍵，對控制量變化進行選擇的基本原則如下：對于誤差比較大的情況，應當選擇能夠盡快消除誤差的控制量;如果誤差比較小，那么在控制量的選擇時應當避免出現過載的現象，可將提高系統的穩定性作為立足點。本次構建的減搖鰭控制系統的輸入變量和輸出變量分別為E，EC和U。在隨機的海浪下，基于變結構自適應魯棒控制的減搖鰭控制系統的仿真曲線如圖4所示。

　　3結語

　　船舶在水面上航行時，不可避免地會受到波浪、風力的作用，由此會產生橫搖運動，這對于船舶的航行穩定性非常不利。針對這一問題，可以采用減搖鰭來減輕船舶的橫搖，確保船舶的安全航行。

　　參考文獻：

　　[]蘭立奇，李暉，解瑩楠，減搖鰭/水艙聯合減搖系統模糊自適應滑�？刂芠J.船工程，2019(1)：187-189.

　　[2]徐碩基于模型預測控制的某救助船減搖鰭控制系統的仿真研究[J].珠江水運，2019(2：39-41

　　[3]梁利華，趙朋，張松濤，苑佳，基于相位匹配的零航速減搖鰭控制策略研究[J].哈爾濱工程大學學報，2018(5)：76-78.

　　[]蘭立奇，李暉，解瑩楠，減搖鰭/水艙聯合減播系統模糊自適應滑模控制[J]船舶工程，2019，41(12)：102-106+152

　　[5]關巍，李翔，任志浩，等，船舶減搖鰭閉環成形濾波L-2增益控[.1大報，2019，40(12)1965-1972.

　　[6]孫明曉，欒添添，梁利華，等，基于歐拉一伯努利剛度矩陣的減搖鰭軸升力檢測分析[D].船舶力學，2018(8)：99-101.