基于雙螺旋槳差動(dòng)調(diào)節(jié)的雙體船航向智能控制研究

劉 楊，王 瑩

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

近年來，雙體船由于良好的操縱性、阻力峰不明顯、裝載量大等特點(diǎn)，在當(dāng)今船舶行業(yè)得到了廣泛的關(guān)注。本文根據(jù)雙體船采用雙螺旋槳作為其動(dòng)力系統(tǒng)，提出一種基于雙螺旋槳差動(dòng)調(diào)節(jié)的雙體船航向智能控制方法。通過引入航向誤差檢測(cè)環(huán)節(jié)、系統(tǒng)辨識(shí)環(huán)節(jié)和模糊控制，控制雙體船航向運(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的雙螺旋槳差動(dòng)調(diào)節(jié)航向智能控制系統(tǒng)控制效果良好，對(duì)海情的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

1 雙體船航向運(yùn)動(dòng)非線性模型

對(duì)于在水面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的雙體船，在預(yù)定的航線上做小偏差運(yùn)動(dòng)時(shí)，縱向與橫向運(yùn)動(dòng)耦合作用不大，可認(rèn)為其縱向運(yùn)動(dòng)與橫向運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，其橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)模型如式(1)所示：

其中，Yd和 Nd分別為海浪、海風(fēng)及海流等擾動(dòng)形成的干擾力和干擾力矩；Iz為雙體船O-xy面繞Oz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為偏航首搖角度；v為橫蕩速度；M為雙體船質(zhì)量。

對(duì)模型式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將由舵角產(chǎn)生的控制力和控制力矩改為由雙螺旋槳差動(dòng)形成的控制力和控制力矩代替，另外考慮在靜水條件下，忽略海浪、海風(fēng)和海流產(chǎn)生的擾動(dòng)力、擾動(dòng)力矩。則可描述為：

其中，YL、NL分別為雙螺旋槳轉(zhuǎn)速差異引起的橫蕩力、首搖力矩系數(shù)；Δω為雙螺旋槳的轉(zhuǎn)速差值。

2 雙螺旋槳?jiǎng)恿W(xué)模型

由于雙體船寬度比一般船舶要寬，吃水也較一般船舶淺，所以根據(jù)其特點(diǎn)，采用了雙螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)。螺旋槳的動(dòng)力學(xué)特性可表示為：

式中：ρ為水的密度；D為螺旋槳槳徑；KQ為螺旋槳阻力系數(shù)；KT為螺旋槳推力系數(shù)；ω為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

若2個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速不同，則2個(gè)螺旋槳的推力不同，從而能夠進(jìn)行船體航向的調(diào)整，其產(chǎn)生的推力與航速的關(guān)系如下：

則相對(duì)艏搖，2個(gè)螺旋槳形成的控制雙體船航向的控制力矩有如下關(guān)系：

其中，V為船的速度；L為兩螺旋槳產(chǎn)生艏搖力矩對(duì)應(yīng)的力臂；FL1為螺旋槳1產(chǎn)生的推力；FL2為螺旋槳2產(chǎn)生的推力。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙體船航向智能控制系統(tǒng)如圖1所示。兩個(gè)螺旋槳是兩個(gè)相互獨(dú)立的控制機(jī)構(gòu)，雙螺旋槳分配單元包含雙螺旋槳智能優(yōu)化分配規(guī)則。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，模糊控制器計(jì)算出所需的扶正力矩值，雙螺旋槳分配單元根據(jù)該值計(jì)算出所需的兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

圖1 雙體船航向智能控制系統(tǒng)框圖

(1)定義輸入輸出變量

本文設(shè)計(jì)的雙體船航向模糊控制器，根據(jù)自動(dòng)舵的工作原理，通過傳感器測(cè)量可以得到雙體船的航向角，因此可以選擇航向角偏差Δψ作為模糊控制器的輸入。另外，為了反映偏差的變化趨勢(shì)，模糊控制器的輸入還應(yīng)加上航向角偏差的變化率。模糊控制器的輸出為雙螺旋槳所需的扶正力矩值。模糊控制器如圖2所示，E為航向角誤差；EC為航向角誤差變化率；U為控制器的輸出量；ke、kec為量化因子；ku為比例因子。

圖2 模糊控制器輸入輸出示意圖

(2)輸入輸出變量的模糊化

對(duì)模糊控制器的輸入和輸出進(jìn)行模糊化處理，選擇輸入輸出變量的模糊子集為：

由于高斯型隸屬函數(shù)的平滑性較好，概念較精確，所以本文中的模糊隸屬函數(shù)均采用高斯型函數(shù)，如圖 3、圖 4、圖 5所示。

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)本文所設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)是否可以有效地提高航向控制效果、節(jié)約系統(tǒng)能耗，本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如圖6所示，所用雙體船的主要參數(shù)：排水量為2 379 t，水線長(zhǎng)為 57.58 m，水線面積為 175.87 m2，下潛體半徑為2.286 m，支柱長(zhǎng)度為57.58 m，浮心到重心的垂向距離4.63 m，支柱最大厚度為2.03 m，縱穩(wěn)心高為8.44 m，下潛體長(zhǎng)度為73.06 m，潛體浮心距離主體首端為35.2 m，船體吃水高度為7.62 m，縱搖慣性半徑為15.88 m，設(shè)計(jì)航速為 18 kn。

圖3 航向角偏差E的隸屬度函數(shù)曲線

圖5 控制量U的隸屬度函數(shù)曲線

圖6 航向模糊控制系統(tǒng)仿真曲線

為了進(jìn)行有效地對(duì)比，本文還對(duì)該雙體船在相同海情的航向PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，如圖7所示。從仿真結(jié)果來看，當(dāng)海情發(fā)生變化時(shí)，由航向PID控制的效果明顯變差，且舵角幅度變大，增大了能耗。而本文設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)在重新辨別模型、優(yōu)化參數(shù)后能較好地適應(yīng)海情變化，控制效果良好。由于模糊控制算法具有較強(qiáng)的全局尋優(yōu)能力，而PID算法對(duì)參數(shù)初值的選取十分敏感，極易陷入局部最優(yōu)，導(dǎo)致尋優(yōu)失敗。

圖7 航向PID控制系統(tǒng)仿真曲線

本文設(shè)計(jì)了基于雙螺旋槳差動(dòng)調(diào)節(jié)的雙體船航向智能控制系統(tǒng)，通過航向偏差檢測(cè)環(huán)節(jié)判斷海情是否發(fā)生變化。若海情發(fā)生變化，則通過系統(tǒng)辨識(shí)環(huán)節(jié)得到雙體船航向運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在該模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊控制算法，最后將得到的參數(shù)賦予實(shí)際的航向保持系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明與PID控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)對(duì)于海情變化具有較好的自適應(yīng)能力。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

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