基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的零航速減搖鰭模型參考自適應控制設(shè)計

齊 雪, 石滿紅, 董姍姍, 潘 花

(安徽科技學院 信息與網(wǎng)絡(luò)工程學院,安徽 鳳陽 233100)

無論是平靜水域還是復雜海域,船舶都會產(chǎn)生搖蕩運動。并且環(huán)境所帶來的外部干擾是無法完全避免的,這些干擾對于船舶的橫搖運動影響最大,所形成的危險性也最大,所以,對于船舶的橫搖控制是必須要考慮的問題。目前, 減搖鰭是技術(shù)較成熟且實用性最大的船舶減橫搖裝置,具有主動減搖的工作機理,高速狀態(tài)下減搖效果達90%以上。受船舶航行速度的影響,減搖鰭的控制效果也不盡相同。當船速較高時,減搖效果能達到最佳狀態(tài);但是,當船速較低或者為零時,減搖效率就大大降低了。此外,減搖水艙也是一種常用的船舶減橫搖裝置,減搖水艙的優(yōu)勢在于其放寬了對船舶航速的限制,可以彌補減搖鰭的不足;缺點是體積較大,減搖效果受制于諧搖頻率的大小,即船舶在諧搖頻率附近做擺動時,減搖水艙能夠?qū)崿F(xiàn)最好的減搖效果,即顯性減搖效果好,但是當船舶以遠離諧搖頻率做擺動時,減搖水艙工作能力下降,甚至會出現(xiàn)增搖的現(xiàn)象[1-3]。鑒于對減搖鰭和減搖水倉優(yōu)缺點的對比,為了使減搖裝置適合于船舶零航速的特殊情況,學者們提出了零航速減搖鰭的概念。

船舶零航速減搖概念的提出是基于其廣泛的應用背景而言的。中國一直在積極推進海洋領(lǐng)域的探索和開發(fā)工作,近年來隨著海洋工程項目的增多,需要船舶在零航速下工作也變得越來越頻繁,為了保證船舶在風浪條件下仍然有平穩(wěn)安全的工作環(huán)境,就迫切需要對船舶進行減搖。一般情況下,長浪的周期是7～14 s,而大馬達游艇的橫搖周期是6～11 s。由于海浪的周期跟停泊狀態(tài)下船舶的橫搖周期相近,那么即使在浪高很小的情況下,船舶也會劇烈橫搖[4-6]。

手稿中，除了畫，還有一部分是文字手稿。內(nèi)容多為李鐵夫自己的詩詞、楹聯(lián)創(chuàng)作，少數(shù)是抄錄他人作品。部分手稿因為幾幅合裱在一起，賬本登記中只給了一個藏品號，所以有一個藏品號包含了數(shù)件作品的情況（如藏品“詩稿”為三個藏品號，實際共六幅作品）。

20世紀90年代,許多科研機構(gòu)開始對零航速狀態(tài)下船舶減搖問題進行了系統(tǒng)性、探索性研究。從經(jīng)濟實用性角度考慮,可以設(shè)計一套減搖鰭系統(tǒng)在不同的航速間切換工作狀態(tài)。當船舶以中高航速行駛時,減搖鰭切換到傳統(tǒng)工作模式以實現(xiàn)減搖目標;當船舶以低速行駛或系泊狀態(tài)工作時,減搖鰭切換到振動模式來產(chǎn)生升力,進而完成減搖任務(wù)。文獻[7]提出基于Weis-fogh機構(gòu)和單翼拍動工作方式的兩種設(shè)計方案,試驗數(shù)據(jù)和實踐應用進一步驗證了該設(shè)計方案的優(yōu)越性。文獻[8-9]對減搖鰭在零航速下升力產(chǎn)生機理進行了深入研究,形成一系列研究成果。

由文獻[10-12]可知,零航速減搖鰭升力模型具有非線性特征,其相關(guān)變量為鰭角度、鰭角速度和鰭角加速度。模型中參數(shù)具有不確定性,這給實際操作帶來了很大困難。文獻[7]和[13]基于Weis-fogh減搖方案設(shè)計了經(jīng)典PID控制器,該控制方法將船舶橫搖模型在期望工作點附近進行線性化處理,針對此線性化系統(tǒng)進行減搖控制。這種嚴格的線性化約束會導致遠離期望工作點處控制失效的后果。因此需要進一步考慮模型不確定性和非線性的實際狀況。文獻[14]通過對波浪擾動、船舶橫搖運動、鰭運動和鰭誘導水動力的相位匹配分析,得出了基于擾動和補償?shù)目刂撇呗?。文獻[15]采用相位匹配控制策略,同時對減搖鰭常規(guī)減搖和零航速減搖進行了分析和研究,該控制研究是在線性橫搖理論的基礎(chǔ)上展開的,沒有考慮模型的不確定性和參數(shù)的時變性。文獻[16]設(shè)計了混沌遺傳算法的自適應控制器來實現(xiàn)大型船舶非線性減搖的效果。文獻[17]采用分數(shù)階自適應滑模方法進行船舶非線性減搖控制。文獻[18]基于船舶橫搖模型非線性、非穩(wěn)態(tài)的特點,加入積分過程,形成模糊積分控制。

零航速減搖鰭系統(tǒng)原理如圖1所示。

為了解決船舶橫搖模型參數(shù)的不確定性問題,本研究設(shè)計自適應控制器,該控制器使船舶橫搖角跟蹤指定的參考模型輸出信息。參考模型為一個期望的理想系統(tǒng)。參考模型的輸入量與真實系統(tǒng)的輸入量相同,參考模型的輸出量為期望結(jié)果。系統(tǒng)以參考模型輸出與真實被控對象輸出的差異大小作為調(diào)整控制器參數(shù)的依據(jù),從而使得真實系統(tǒng)的閉環(huán)控制性能與參考模型的性能保持一致,這些性能包括系統(tǒng)時域特性和頻域特性[19-20]。零航速減搖鰭的升力力矩為非線性不確定系統(tǒng),本研究采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[21-22]在線逼近重構(gòu)誤差。本研究僅以減搖鰭鰭角速度作為測量元件,則實際控制量為鰭角速度,通過設(shè)計鰭角速度的大小形成合適的控制力矩作用在船舶橫搖模型上,以達到理想的減橫搖效果。

1 橫搖模型介紹及分析

船舶橫搖模型被廣泛應用于工程實踐中,其中,用于刻畫小角度下的橫搖線性方程為Conolly模型,其線性二階微分方程模型可以表述如下[11]:

(1)

其中,Ix和ΔIx分別為相對于通過船舶重心縱軸的慣量和附加慣量,2Nu為每單位橫搖角速度的船舶阻尼力矩,D為船舶排水量,h為橫穩(wěn)心高,φ為橫搖角,Kw為海浪干擾力矩,K為減搖鰭產(chǎn)生的對抗海浪干擾的控制力矩。上述參數(shù)并不是恒定不變的常數(shù),隨著船舶裝載情況的變化以及海況的復雜變化,橫搖模型參數(shù)也會隨之改變,即參數(shù)具有時變性;并且參數(shù)變化受多變量影響,具有非線性特征。

紫外分光光度計（UV2400型，上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；高速逆流色譜（TBE－300B型，上海同田生化有限公司）；微量分析天平（TP－214型，美國丹佛儀器有限公司）；超聲清洗機（KQ32002型，昆山市超聲儀器有限公司）；高壓滅菌鍋（MLS－3780型，日本三洋公司）；恒溫培養(yǎng)箱（DHP－9162型，上海齊欣科學儀器公司）；超凈工作臺（SW－CJ－1F型，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司）。

令a2=Ix+ΔIx,a1=2Nu,a0=Dh。

1.6 他汀類藥物停藥指征 當出現(xiàn)以下指征時，考慮停藥或更換劑量：（1）年齡≥80歲，AST、ALT超過正常上限2倍。（2）年齡＜80歲，AST、ALT超過正常上限3倍。（3）CK超過正常上限5倍且（或）伴有肌痛、乏力、酸困等他汀類藥物相關(guān)不良反應。（4）表皮生長因子受體（eGFR）下降≥50%。

則a2,a1和a0會隨著海情或船舶裝載情況的變化而變化。

2 零航速減搖鰭的升力模型

龍慶峽位于北京市延慶縣城東北10公里的古城村西北的古城河口，距北京城區(qū)85公里。龍慶峽古稱"古城九曲"，被人們譽為北京的"小漓江"，是北京十六景之一。其水源于海坨山東麓，經(jīng)玉渡山匯入古城水庫。

圖1 零航速減搖鰭系統(tǒng)工作簡圖Fig.1 Schematic diagram of zero speed fin stabilizer system

零航速減搖鰭較常規(guī)減搖鰭而言增加了運動模式切換系統(tǒng),即在船舶中高速運動過程中,控制系統(tǒng)通過改變減搖鰭的攻角來調(diào)節(jié)升力[7],從而實現(xiàn)減搖目標;在船舶低速或系泊狀態(tài)下,控制系統(tǒng)驅(qū)動鰭翼繞鰭軸在水平位置附近做振動,由于振動頻率的不同而產(chǎn)生不同大小的升力來抵抗外部干擾。本研究只考慮船舶零航速下的減搖問題,減搖鰭運動方式如圖2所示。

圖2 零航速減搖鰭工作方式Fig.2 Working mode of fin stabilizer at zero speed

對于零航速減搖鰭來說,升力力矩K的表達式如下:

(2)

其中,k1、k2為常數(shù),ω為減搖鰭繞鰭軸的旋轉(zhuǎn)角速度,α為減搖鰭與水平位置的夾角?？刂屏仉S著鰭角及其運動方式而發(fā)生變化,需要控制這些影響力矩的變量大小,從而達到有效的減搖效果。由升力力矩模型式(2)可知,零航速減搖鰭升力模型是一個非線性結(jié)構(gòu),其相關(guān)變量為鰭角度、鰭角速度和鰭角加速度。由于

α=ωt

(3)

(4)

3 控制器設(shè)計及穩(wěn)定性分析

則

圖3 控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Controller structure diagram

設(shè)參考模型為:

資源依賴學派認為，面對環(huán)境的束縛，組織也會主動對環(huán)境進行管理和控制，組織采取各種策略以減少其對外部環(huán)境的依賴以及來自外部環(huán)境的制約，這充分體現(xiàn)了組織在與環(huán)境關(guān)系中的積極主動性⑧。社工組織在遭遇互動困境的時候，也不是被動地接受約束。社工組織也會采取各種互動策略，從而獲得更多資源的支持，進而獲得自主發(fā)展的機會。

(5)

其中,r(t)是有界參考信號。

對于式(2),設(shè)

(6)

愛情，就像“三國”，合久必分，分久必合；愛情，也像“西游”，九九八十一難，方才取得真經(jīng)；愛情，更像“紅樓”，總有一些人把它奉為圭臬，耗費畢生研究它；愛情，最像的還是“水滸”，管你有多轟轟烈烈，最終都得被生活招安。

設(shè)虛擬控制器:

(7)

(8)

式(1)可以重記為:

(9)

定義信號z(t)為:

(10)

其中,e=φ-φm為跟蹤誤差,β1、β0是使得p2+β1p+β0成為穩(wěn)定(胡爾維茨)多項式的正常數(shù)。在式(9)兩邊加上(-a2z(t))并整理,將被控對象動態(tài)改寫為:

(11)

令

(12)

選擇虛擬控制器:

(13)

其中,Φ(ω)∈RL×1為徑向基函數(shù),通常選為高斯函數(shù),即

4.BEPS第15項行動計劃成果的重要貢獻。中國國家稅務(wù)總局積極參與“引入多邊工具”的制度建設(shè)，2015年11月，OECD牽頭成立了《實施稅收協(xié)定相關(guān)措施以防止稅基侵蝕和利潤轉(zhuǎn)移(BEPS)的多邊公約》(以下簡稱《協(xié)定公約》)特別工作組，共同研究起草《協(xié)定公約》文本。其中，中國當選為該工作組第一副主席國，積極參與組織《協(xié)定公約》的研究制定工作，并與其他100多個國家進行了為期一年的集體談判與磋商，為《協(xié)定公約》的制定