基于模型預(yù)測(cè)控制的某救助船減搖鰭控制系統(tǒng)的仿真研究

徐碩

摘 要：為更好地對(duì)減搖鰭進(jìn)行控制，該文創(chuàng)造性地將模型預(yù)測(cè)控制引入減搖鰭控制系統(tǒng)中，并以“南海救118”輪減搖鰭控制系統(tǒng)為例，通過(guò)仿真研究，將PID控制和模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行對(duì)照，得出模型預(yù)測(cè)控制效果要好于PID控制，從理論上對(duì)減搖鰭的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：救助船 減搖鰭 模型預(yù)測(cè)控制

1.引言

救助船往往都是在急難險(xiǎn)重的情況下出動(dòng)，在風(fēng)浪中會(huì)有較大搖晃，為了保存救助人員的體能和精力，保障船舶設(shè)備特別是特種設(shè)備的安全性和可靠性，需要在船上安裝有減搖鰭來(lái)減小船舶的橫搖、縱搖等各種運(yùn)動(dòng)，其中，橫搖是比較劇烈的一種運(yùn)動(dòng)，本文接下來(lái)的模型處理也只針對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的減搖鰭控制系統(tǒng)主要采用PID控制，即接收陀螺儀和綜合模塊中的信號(hào)經(jīng)過(guò)比例電路、積分電路、微分電路等對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，這種處理方式比較簡(jiǎn)單，而海上波浪變化萬(wàn)千，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和非線性，為使得減搖控制更加高效，我們需要一種新的控制算法來(lái)優(yōu)化控制性能。

2.模型預(yù)測(cè)控制簡(jiǎn)介

模型預(yù)測(cè)控制是一種現(xiàn)代的先進(jìn)控制算法，它克服了PID控制簡(jiǎn)單的反饋控制調(diào)節(jié)及單回路控制，可以從系統(tǒng)的角度進(jìn)行全局控制，在確定了系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型后，在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在每一個(gè)采樣時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化解作用于系統(tǒng)，循環(huán)滾動(dòng)進(jìn)行，在線實(shí)時(shí)反饋。對(duì)于像船舶減搖鰭這種需要時(shí)時(shí)刻刻跟隨波浪的變化進(jìn)行動(dòng)作的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，模型預(yù)測(cè)控制是一種非常好的控制算法。

4.船舶減搖鰭系統(tǒng)仿真分析

本文根據(jù)以上船舶橫搖、減搖鰭模型及“南海救118”輪的相應(yīng)參數(shù)運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真。仿真過(guò)程中，海浪模擬信號(hào)采用高斯噪聲疊加正弦波為擾動(dòng)信號(hào)，波浪擾動(dòng)信號(hào)如圖3所示。

在仿真過(guò)程中使用PID控制器進(jìn)行控制得到的船舶橫搖角變化如圖4所示：

在這里，我們將上面PID控制中的傳遞函數(shù)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程，運(yùn)用MATLAB/Simulink工具進(jìn)行仿真，運(yùn)行后得到的船舶橫搖角變化如圖5所示。

通過(guò)對(duì)比上面的仿真響應(yīng)曲線，我們可以明顯地看到模型預(yù)測(cè)控制在減搖鰭控制中要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于傳統(tǒng)的PID控制，展現(xiàn)了較強(qiáng)的控制性能。

5.結(jié)束語(yǔ)

減搖鰭的控制需要較好的跟蹤響應(yīng)，模型預(yù)測(cè)控制所具有的滾動(dòng)優(yōu)化和前饋-反饋控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。根據(jù)其控制原理，它可以在線實(shí)時(shí)優(yōu)化，并且在優(yōu)化問(wèn)題中有針對(duì)波浪的變化進(jìn)行的前饋補(bǔ)償，還有基于船舶橫搖角變化的反饋補(bǔ)償。通過(guò)上面的仿真分析，證明了模型預(yù)測(cè)控制能夠較好實(shí)現(xiàn)減搖效果，希望本文能夠?qū)p搖鰭設(shè)計(jì)及生產(chǎn)方在系統(tǒng)控制方面利用模型預(yù)測(cè)控制算法有所啟發(fā)。

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