船舶可調(diào)槳螺距模糊 PID 控制器設計

王國近，王 炅，戴金鵬，蹇安安

(武漢海王機電工程技術公司，湖北 武漢 430074)

船舶可調(diào)槳螺距模糊 PID 控制器設計

王國近，王 炅，戴金鵬，蹇安安

(武漢海王機電工程技術公司，湖北 武漢 430074)

針對柴油機驅(qū)動的船舶可調(diào)槳推進系統(tǒng)，從運動學和動力學角度建立與其適應的船槳系統(tǒng)、柴油機系統(tǒng)、調(diào)速控制系統(tǒng)和螺距控制系統(tǒng)的運動模型。同時運用模糊控制和 PID 控制理論，在 Matlab 仿真平臺上設計可調(diào)槳螺距的模糊 PID 控制器，調(diào)試運行使之與可調(diào)槳動力性能相匹配，得到相應螺距偏差、偏差變化率和螺距控制輸出量隸屬度數(shù)據(jù)。通過仿真過程離線計算得到模糊控制器輸出控制量查詢表，從而設計完成可調(diào)槳螺距的模糊PID 控制器。針對可調(diào)槳螺距控制，給定車鐘指令信號和脈沖干擾信號。仿真實驗結果證明，模糊 PID 控制器能有效避免可調(diào)槳控制跳動問題，且其控制速度、精度和靈敏度較傳統(tǒng) PID 控制器具有顯著優(yōu)勢。

模糊 PID 控制理論；Matlab 仿真；可調(diào)槳；運動模型

0 引 言

目前，大多數(shù)船舶安裝有側(cè)推裝置，用于產(chǎn)生船舶橫向推力，從而順利離靠碼頭、進出水閘或通過狹窄航道和水域等，作用巨大，其中可調(diào)槳可以很方便地通過改變槳葉角度實現(xiàn)柴油機負荷增加或減小，改善船舶在不同航行工況下的推進效率和操作性能，從而獲得設計者的認可。

傳統(tǒng)意義上側(cè)推系統(tǒng)螺距調(diào)節(jié)采用閉環(huán)反饋的PID 控制理念，近些年隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，新興控制理論逐漸應用于工業(yè)控制，其中模糊控制理論越來越受到學者的關注。本文運用模糊 PID 控制理論，通過對船舶可調(diào)槳系統(tǒng)仿真建模，設計出螺距模糊 PID 控制器，并通過實驗驗證其較好的控制效果，從而提高船舶自動化性能。此課題具有較高的研究意義和應用價值，開創(chuàng)了模糊控制理論在船舶駕駛領域研究應用的先河。

1 模糊 PID 控制理論

模糊系統(tǒng)理論由美國加利福尼亞大學扎德教授于1965 年提出，隨著模糊系統(tǒng)理論在工業(yè)上的成功運用，很多學者開始對模糊系統(tǒng)理論進行研究，這大大促進了模糊理論的發(fā)展。20 世紀 90 年代，經(jīng)過實際應用和理論創(chuàng)新，模糊控制從理論上解決了2個問題：一是如何從實驗數(shù)據(jù)中獲得模糊規(guī)則；二是如何實現(xiàn)模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這一領域的研究成果隨后被廣泛應用在核電發(fā)電系統(tǒng)、汽車控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)等。

模糊控制之所以得到廣大研究學者的認可和親睞，歸功于模糊控制的如下顯著特點[1]：

1）運用模糊控制理論，不需要研究系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，因為很多復雜的工控過程難以得到精確描述。

2）模糊規(guī)則多從專家知識和實際經(jīng)驗中總結得到，所以即使是非控制專業(yè)的人也可以很容易地掌握模糊控制理論。

3）模糊控制器構造起來容易。實際模糊控制算法可以通過 PLC 進行實現(xiàn)，也可以通過單片機進行構造。

4）模糊控制是一種人工智能控制，有很好的動態(tài)響應品質(zhì)，并且對過程參數(shù)變化有很強的適應性，方便調(diào)節(jié)。

在現(xiàn)實工控中，固化的 PID 控制參數(shù)很難取得很好的控制效果，因為控制對象的參數(shù)常常會發(fā)生變化。那么把 PID 控制和模糊控制結合起來，實現(xiàn)控制參數(shù)的在線自動化調(diào)整，從而構造模糊 PID 控制算法，設計出來的控制器具有諸多優(yōu)點。

2 可調(diào)槳推進系統(tǒng)建模

2.1 船槳系統(tǒng)模型

對于船舶可調(diào)槳推進系統(tǒng)，主機通過傳動設備帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生推力作用在推力軸承上，船舶最終運動。整個系統(tǒng)可分解為多個子系統(tǒng)[2]，簡化處理形成圖 1。

根據(jù)螺旋槳工作原理，螺旋槳淌水推力T和水力矩MP分別為：

式中：KT為螺旋槳推力系數(shù)；KQ為螺旋槳扭矩系數(shù)；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑。

根據(jù)牛頓力學定理，船舶推進系統(tǒng)在無偏轉(zhuǎn)作用時可由以下數(shù)學式描述[3]。

動力學關系：

運動學關系：

式中：Te為可調(diào)槳有效推力，N；R為船體運動阻力；M為船體總質(zhì)量，并考慮到隨船一起運動的附著水的質(zhì)量；VP為螺旋槳的進速；VS為船舶的航速；I為螺旋槳轉(zhuǎn)動慣量，包括隨它們一起轉(zhuǎn)動的附著水的轉(zhuǎn)動慣量；ns為主機轉(zhuǎn)速；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速；Md為主機輸出扭矩，為主機輸出功率；M為軸sf系的摩擦力矩M(f)=f(n)，結合經(jīng)驗將其估算為螺旋槳負載力矩的 10%；Mp為螺旋槳的阻力矩，N·m；i為傳動裝置的減速比，i=ns/n，本文中減速器的傳動比取 5.5。

2.2 柴油機系統(tǒng)模型

柴油機系統(tǒng)的物理模型主要由柴油機本體和減速器組成。根據(jù)柴油機原理，柴油機本體模型為：

式中：be為柴油機有效燃油消耗率；PS為柴油機有效功率；n為柴油機轉(zhuǎn)速；m為氣缸數(shù)目；gc為柴油機循環(huán)供油量；Hu為燃油的低熱值；ne為柴油機有效效率；ni為柴油機指示效率；nm為柴油機機械效率。

減速器數(shù)學模型較簡單，減速齒輪箱減速比為：

經(jīng)過減速齒輪箱后主機輸出力矩為：

2.3 調(diào)速控制系統(tǒng)物理模型

柴油機調(diào)速系統(tǒng)由柴油機、電子調(diào)速器、噴油泵和供油機構組成（見圖 2）。

柴油機調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)3個基本功能：

1）負荷增加，轉(zhuǎn)速下降，實現(xiàn)減速增油調(diào)節(jié)動作；

2）負荷減少，轉(zhuǎn)速上升，實現(xiàn)增速減油調(diào)節(jié)動作；

3）負荷不變，供油不變。

建立柴油機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，設執(zhí)行器與輸出軸位移的傳遞函數(shù)為：

取拉普拉斯反變換：

式中：u為執(zhí)行器的控制信號，這里是柴油機油門的開度；L為執(zhí)行器的輸出軸位移；T1為執(zhí)行器的時間常數(shù)；K1為控制增益常數(shù)。

為使調(diào)速器調(diào)節(jié)響應較迅速，調(diào)節(jié)時間短，反應敏捷，本文中調(diào)速器傳遞函數(shù)為[4]：

2.4 螺距控制系統(tǒng)物理模型

可調(diào)槳操作時，當控制臺發(fā)出的螺距設定信號與螺距反饋信號進行比較得出偏差，經(jīng)過控制器的運算處理，按照一定規(guī)律輸出螺距調(diào)節(jié)控制信號，該信號驅(qū)動液壓動力裝置的電液比例閥，打開相應前進或倒退油路，控制調(diào)距機構調(diào)節(jié)螺距。

液壓動力裝置由油箱和伺服油泵系統(tǒng)組成。調(diào)距操作時啟動油泵，伺服油壓力調(diào)節(jié)閥保證最小的伺服油壓力，安全閥設定系統(tǒng)的最大壓力，液控單向閥保證螺距在伺服油中斷情況下保持螺距穩(wěn)定不變。

伺服油系統(tǒng)主要由伺服油泵、控制閥、油箱和管件組成。高壓油由一個伺服油泵傳動到高壓濾器，經(jīng)過由單向閥、安全閥、壓力調(diào)節(jié)閥和電控比例閥組成的閥裝置，從比例閥出來的伺服油流入油分配器，油分配器出來的高壓油經(jīng)過液控雙單向閥到伺服活塞的一側(cè)，從另一側(cè)流出。

螺距調(diào)節(jié)機構的傳遞函數(shù)為：

3 基于 Simulink 搭建系統(tǒng)模型

根據(jù)船槳系統(tǒng)數(shù)學模型，包含螺旋槳的淌水推力公式和水力矩公式，船舶運行動力學方程和運動學方程，結合推力系數(shù)、扭矩系數(shù)與螺旋槳進程比、螺距比的關系[5]，在 Matlab 平臺上利用 Simulink 進行模型搭建如圖 4 所示。

對于船用柴油機而言，在額定工況下指示效率一般取 0.43～0.50，機械效率一般近似取值 0.85～0.90。根據(jù)柴油機系統(tǒng)數(shù)學模型，搭建仿真模型如圖 5 所示。

調(diào)速器與主機一起構成主機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)，調(diào)速器根據(jù)柴油機負載變化自動調(diào)節(jié)噴油泵的供油量，調(diào)速器仿真模型是推進系統(tǒng)建模及仿真研究中很重要的一部分，主機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值由推進控制系統(tǒng)仿真輸出，調(diào)速系統(tǒng)輸出得循環(huán)供油量[6-8]，具體 Simulink模型如圖 6 所示。

螺距調(diào)節(jié)值匹配調(diào)節(jié)機構傳遞函數(shù)，最終實現(xiàn)螺距值輸出，如圖 7 所示。

4 可調(diào)槳螺距模糊 PID 控制器設計

對于船舶推進控制系統(tǒng)，由駕駛臺發(fā)出車鐘指令，采集實際船速和實際螺距，根據(jù)柴油機負荷曲線獲取當下最佳主機轉(zhuǎn)速和螺距值，運用模糊控制理論設計模糊控制器，實現(xiàn) PID 參數(shù)在線整定[9]，最終輸出主機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值和螺距調(diào)節(jié)值。

模糊控制器檢測到螺距角設定值H0，經(jīng)過螺距反饋裝置獲取螺距角H實際值，兩者比較分別計算出螺距角偏差值e及其變化率ec。通過模糊控制規(guī)則推理，合成運算，模糊判決得到實際螺距調(diào)節(jié)值，從而控制伺服閥，驅(qū)動調(diào)距槳液壓裝置和機械裝置，實現(xiàn)變螺距調(diào)節(jié)。模糊控制理論要求將輸入變量偏差e和偏差變化率ec量化到模糊論域并劃分為 13 個等級，模糊論域為 {- 6，- 5，- 4，- 3，- 2，- 1，0，1，2，3，4，5，6}。選擇隸屬度函數(shù)時，需要考慮很多因素，例如隸屬函數(shù)的形狀，模糊編輯器中隸屬度函數(shù)曲線有三角形、鐘形、階躍型好正弦型等[10]，這里輸入變量偏差e、偏差變化率ec和輸出變量 △H隸屬度如表 1～表 3 所示：

經(jīng)過 Matlab 程序離線計算得到模糊控制器輸出控制變量 △KP、△KI和 △KD的值，這些數(shù)值組成了模糊控制器輸出控制量查詢表。根據(jù)模糊控制器輸出控制量查詢表，可以利用 S7-1200 編寫模糊 PID 控制器程序[11]，最終實現(xiàn)可調(diào)槳螺距的模糊 PID 控制器設計。

表1 偏差模糊集隸屬度Tab. 1 Membership of deviation fuzzy set

表2 偏差變化率模糊集隸屬度Tab. 2 Membership of deviation rate fuzzy set

表3 調(diào)節(jié)量模糊集隸屬度Tab. 3 Membership of controller output deviation fuzzy set

對于可調(diào)槳推進系統(tǒng)，通過控制手柄在 10 s 時刻給定1個螺距指令 10°，同時引入1個脈沖干擾信號。從效果圖 9 和圖 10 對比可看出，模糊 PID 控制穩(wěn)定明顯性好于 PID 控制，但是其超調(diào)時間較久。指令發(fā)出后 PID 控制反應過渡時間為 0.8 s，實際槳角震蕩波峰值為 14.3°，模糊 PID 控制反應過渡時間為為 1.20 s，實際槳角震蕩波峰值為 11.8°。分析這種效果產(chǎn)生的原因，模糊 PID 控制是在 PID 控制器前面引入了模糊推理系統(tǒng)，經(jīng)過輸入量偏差和偏差變化率的模糊化，模糊規(guī)則的推理，模糊判決的決斷和輸出量的去模糊化，實現(xiàn) PID 控制參數(shù)在線整定，控制效果相對較好，但是因為這一系列過程的進行，使得整個控制過程反應時間相對較長。

在上述仿真過程中，模糊系統(tǒng)實現(xiàn)了 PID 控制參數(shù)P，I和D的在線整定，模糊推理機輸出量的控制曲線如圖 11 所示。螺距調(diào)節(jié)過程中，輸出量 △KP出現(xiàn)波動，先發(fā)生正跳變后發(fā)生負跳變，最后回歸穩(wěn)定值；輸出量 △KI出現(xiàn)波動，先發(fā)生負跳變后發(fā)生正跳變，最后回歸穩(wěn)定值；輸出量 △KD基本無波動。

5 結 語

本文基于 Matlab 搭建可調(diào)槳推進系統(tǒng)仿真模型，設計用于調(diào)節(jié)螺距的模糊 PID 控制器，設計并進行相應實驗得到控制曲線和實驗數(shù)據(jù)。研究成果證實模糊PID 控制器對于螺距的控制精度和穩(wěn)定性比之 PID 控制器更有優(yōu)勢，且結構明確、實用、適應性更強，這為模糊 PID 控制理論在船舶可調(diào)槳上的應用提供了基礎。

模糊控制理論廣泛應用于汽車控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)等，本文率先嘗試將模糊控制理論用于船舶螺距調(diào)節(jié)，并在仿真過程中模糊 PID 控制器具有較好的跟蹤性能和抗干擾能力，此研究促進船舶工業(yè)領域控制理論多樣化應用。

實現(xiàn)模糊 PID 控制需要準確合理地獲取 PID 參數(shù)的模糊校正規(guī)則，這需要進行精確離線仿真試驗和現(xiàn)場調(diào)整。本文不足之處，有待于進一步將本文研究成果轉(zhuǎn)化為實船應用，此為后續(xù)研究的切入點。

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Research on applying the fuzzy PID control theory to conrol the controllable pitch propeller

WANG Guo-jin, WANG Jiong, DAI Jin-peng, JIAN An-an
(Wuhan Haiwang Mechanical and Electronic Engineering Company, Wuhan 430074, China)

In view of the controllable pitch propulsion system driving by the diesel engine, it is necessary to establish appropriate motion models of paddle system, diesel engine system, speed control system and pitch control system from the angle of kinematics and dynamics. At the same time, the fuzzy PID controller is designed on the Matlab simulation platform by the fuzzy theory and PID theory. The corresponding pitch deviation, the deviation rate and pitch control output data are got to match the dynamic performance of controllable pitch propeller. A lookup table of the fuzzy controller output is got by offline simulation calculation. At last the fuzzy PID controller is designed completely. As to controllable pitch, the telegraph signal and pulse interference signal are given to do simulation experiment. The results confirm that the controlling jitter problem is avoided effectively with the fuzzy PID controller. Its controlling speed, accuracy and sensitivity are better than PID controller.

fuzzy PID control theory；Matlab simulation；controllable pitch propeller；motion model

TP391

A

1672 - 7619(2017)04 - 0100 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.020

2016 - 07 - 15；

2016 - 09 - 02

王國近(1989 - )，男，助理工程師，主要研究方向為船舶側(cè)推控制系統(tǒng)，船舶動力裝置等。