基于閉環(huán)增益成形算法的船舶減搖鰭控制器設(shè)計(jì)與分析

張濤 關(guān)巍 蘇作靖 任志浩

摘要：為增強(qiáng)船舶橫搖穩(wěn)定性，并對(duì)其物理本質(zhì)特性進(jìn)行深入研究，以工程應(yīng)用需求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種基于閉環(huán)增益成形算法的簡(jiǎn)捷、高效、魯棒性強(qiáng)的減搖鰭控制器。首次采用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對(duì)該控制器進(jìn)行穩(wěn)定性分析并給出其穩(wěn)定的充要條件。將規(guī)則波和多向不規(guī)則波作為外界干擾對(duì)該控制器進(jìn)行MATLAB仿真，驗(yàn)證該控制器的有效性。結(jié)果表明，該控制器設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單，控制參數(shù)物理意義明確，減搖效果良好，具有十分良好的工程應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞： 船舶; 減搖鰭; 閉環(huán)增益成形; 李雅普諾夫穩(wěn)定理論

中圖分類號(hào)： U664.7+2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： In order to enhance the ship roll stability and study its physical properties deeply， a simple， efficient and robust fin stabilizer controller based on the closed-loop gain shaping algorithm is designed based on the engineering application requirements. The stability of the controller is analyzed by the Lyapunov stability theory for the first time， and the necessary and sufficient conditions for its stability are given. In order to verify the effectiveness of the controller， the simulation on the controller by MATLAB is carried out with the consideration of external disturbance produced by regular waves and multi-directional irregular waves. The results show that the controller is of simple design process， clear physical meaning of control parameters， good anti-rolling effect and good engineering application potential.

Key words： ship; fin stabilizer; closed-loop gain shaping; Lyapunov stability theory

由于船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)阻尼較小，船舶在受到風(fēng)、浪等的影響時(shí)極易產(chǎn)生劇烈的橫搖運(yùn)動(dòng)。橫搖幅度過大會(huì)影響船舶的工作效率和航行安全，因此如何提高船舶橫搖穩(wěn)定性是當(dāng)前船舶控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

減搖鰭被公認(rèn)是最好的主動(dòng)式減搖設(shè)備，其減搖效果與采用的控制策略密切相關(guān)。很多學(xué)者提出了不同的減搖鰭控制策略，其中應(yīng)用最為廣泛的是PID控制策略[1]。PID減搖鰭控制器具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠等優(yōu)點(diǎn)。金鴻章等[2]針對(duì)傳統(tǒng)PID減搖鰭控制器不能在各種海況各種船舶運(yùn)行狀態(tài)下保持最優(yōu)的減搖性能，提出了一種變參數(shù)PID控制器，通過改變控制器參數(shù)優(yōu)化不同情況下的減搖效果。為適應(yīng)更多的船型以及不同的環(huán)境狀況，許多先進(jìn)的控制策略被提出，如：楊鹽生等[3]提出一種變結(jié)構(gòu)模糊自適應(yīng)魯棒控制算法，并以船舶減搖鰭控制系統(tǒng)為例驗(yàn)證了該算法的有效性;王新屏等[4]根據(jù)減搖鰭系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，通過采用精準(zhǔn)反饋法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化，進(jìn)而提出了一種具有魯棒性的減搖鰭控制器;HINOSTROZA等[5]提出了一種基于L2增益的減搖鰭控制策略，采用狀態(tài)反饋進(jìn)行模型誤差的補(bǔ)償，通過設(shè)計(jì)李雅普諾夫函數(shù)保證減搖鰭的穩(wěn)定性和可靠性;GUAN等[6]詳細(xì)研究了船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的非線性現(xiàn)象，采用負(fù)反饋控制算法設(shè)計(jì)減搖鰭控制器，并給出了負(fù)反饋系數(shù)的范圍，有效減輕了船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的非線性現(xiàn)象;LUO等[7]基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)魯棒控制策略設(shè)計(jì)了減搖鰭，很好地解決了由波浪引起的建模誤差和環(huán)境擾動(dòng)問題;苗保彬等[8]基于李雅普諾夫穩(wěn)定性定理采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)中的不確定性進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了一種減搖鰭控制器;梁利華等[9]將減搖鰭作為一種非線性時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行研究，并提出了一種減搖鰭升力反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制策略，減小了系統(tǒng)反饋積累的誤差，提高了減搖鰭的抗干擾性。

綜合上述文獻(xiàn)可知，許多先進(jìn)的控制策略都能夠很好地解決不同船型和不同環(huán)境狀況下的船舶橫搖問題，也都取得了不錯(cuò)的減搖效果，但在減搖鰭控制器的設(shè)計(jì)策略中都缺乏對(duì)減搖鰭工程應(yīng)用需求的考慮，未能對(duì)減搖鰭控制系統(tǒng)物理本質(zhì)特性及其工程應(yīng)用需求進(jìn)行深入分析，因此并未真正地對(duì)船舶減搖鰭的控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行工程應(yīng)用優(yōu)化。閉環(huán)增益成形算法[10-11]作為一種基于被控對(duì)象物理本質(zhì)特性的控制器設(shè)計(jì)策略，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理意義明確等優(yōu)點(diǎn)，可滿足真實(shí)工程的需求，因此本文嘗試將閉環(huán)增益成形算法應(yīng)用于船舶減搖鰭控制器的設(shè)計(jì)。本文首次采用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對(duì)基于閉環(huán)增益成形算法的減搖鰭控制器的穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析并給出控制器穩(wěn)定性的充要條件。為驗(yàn)證所提出方法的有效性，本文分別將規(guī)則波和多向不規(guī)則波作為外界干擾對(duì)所提出的減搖鰭控制器進(jìn)行數(shù)字仿真，為接下來的工程應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。

仿真環(huán)境設(shè)定：6級(jí)風(fēng)，波浪的運(yùn)動(dòng)周期為8 s，海浪的有義波高為3 m，初始橫搖角為10°。多向不規(guī)則波的仿真環(huán)境效果圖見圖7。從圖7可以看出，多向不規(guī)則波與真實(shí)海浪更為貼近，將多向不規(guī)則波作為外界干擾更能說明控制效果的可信度。仿真選取遭遇角為30°，船舶的重心設(shè)在坐標(biāo)軸的原點(diǎn)。由圖7b可以看出，橫向帶箭頭的線段為波浪的前進(jìn)方向，船首的方向與海浪的前進(jìn)方向呈30°角。

船舶在多向不規(guī)則波中無減搖鰭控制時(shí)的橫搖響應(yīng)曲線見圖8。

圖9是船舶在多向不規(guī)則波中有減搖鰭控制時(shí)的橫搖狀態(tài)與鰭角輸出情況。由圖9可得出，在多向不規(guī)則波的仿真環(huán)境下，本文設(shè)計(jì)的控制器與傳統(tǒng)的PID控制器都取得了不錯(cuò)的減搖效果，但傳統(tǒng)的PID控制器橫搖角的超調(diào)量較大。根據(jù)上文的減搖率計(jì)算公式可得傳統(tǒng)PID控制器和本文提出的控制器的減搖率分別為88.5%和93.8%，本文設(shè)計(jì)的減搖鰭控制器更好。

4 結(jié) 論

本文從船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的機(jī)理與船舶減搖鰭閉環(huán)反饋控制工程的需求出發(fā)，將閉環(huán)增益成形算法應(yīng)用于船舶減搖鰭控制器的設(shè)計(jì)，首次用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析了基于該算法的減搖鰭控制器的參數(shù)選擇范圍并給出控制器穩(wěn)定的充要條件。在控制器參數(shù)擇優(yōu)時(shí)，從船舶減搖鰭控制器動(dòng)態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)性能出發(fā)進(jìn)行控制器參數(shù)的評(píng)價(jià)，使得控制器參數(shù)的選擇可滿足不同的工程實(shí)踐要求，在工程實(shí)踐中具有良好的應(yīng)用與推廣價(jià)值。在仿真中以大連海事大學(xué)“育鯤”號(hào)教學(xué)實(shí)習(xí)船為例，采用規(guī)則波和多向不規(guī)則波作為外界干擾分別進(jìn)行數(shù)字仿真，并且通過數(shù)字仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文所提出的減搖鰭控制策略的有效性。本文提出的減搖鰭控制器效果良好，減搖率為91.2%～96.7%，較傳統(tǒng)的PID減搖鰭控制器有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文所提出的控制器設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，控制器參數(shù)物理意義明確，魯棒性強(qiáng)，而且有著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治?，在未來的?shí)際工程應(yīng)用中會(huì)有非常好的應(yīng)用潛力。

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（編輯 賈裙平）