雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法

殷秋雯，羅春艷，孫 惠

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院，吉林吉林 132101；2.吉林省航道管理局，吉林吉林 132013）

雙體清污船的耐波性較好，航行速度較快，但在惡劣的海洋航行環(huán)境下，雙體清污船會(huì)發(fā)生劇烈搖晃[1-2]，這極大地影響了雙體清污船上清污設(shè)備的正常運(yùn)行[3]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙體清污船的減搖控制，有些學(xué)者提出了基于分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法[4]，通過(guò)測(cè)量雙體清污船橫搖運(yùn)動(dòng)的頻率數(shù)據(jù)，采用分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模建立雙體清污船減搖控制模型，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)雙體清污船的減搖控制。但該方法的修正誤差較大，不能對(duì)雙體清污船航行的穩(wěn)定性進(jìn)行控制。

綜上所述，該文在綜合使用減搖鰭和減搖水艙的條件下，提出了雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法。

1 雙體清污船舵鰭聯(lián)合自適應(yīng)控制

雙體清污船具有耐波性高、航速快等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高水面清污效率。但是船舶運(yùn)動(dòng)屬于復(fù)雜的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，在航行中雙體清污船不可避免地要面對(duì)垂蕩、升沉、縱搖等運(yùn)動(dòng)，因此尋求有效的減搖控制方法，使船舶平穩(wěn)航行，保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程的安全性，是現(xiàn)在船舶控制的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一。對(duì)雙體清污船的綜合減搖進(jìn)行研究，提高自適應(yīng)控制能力，保證作業(yè)過(guò)程中的安全性，同時(shí)提高工作效率[5-6]。

根據(jù)參數(shù)分析，對(duì)鰭型和鰭容量進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)在船舶上安裝減搖鰭達(dá)到對(duì)船舶減搖的目的[7-8]。但是，減搖鰭的安裝會(huì)影響船舶的橫蕩和艏搖，且會(huì)增加船舶成本，在應(yīng)用上存在一定限制。

操舵會(huì)使船舶產(chǎn)生一個(gè)橫傾力矩，與減搖鰭相比，舵減搖設(shè)備成本較低，維修方便，且不會(huì)占據(jù)過(guò)多的船內(nèi)空間[9-10]。進(jìn)行舵減搖控制時(shí)對(duì)船舶參數(shù)敏感度要求較高，導(dǎo)致減搖控制難度高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，舵減搖自適應(yīng)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠達(dá)到自適應(yīng)效果，但算法較為復(fù)雜，對(duì)操控器有較高要求，還需充分考慮其魯棒性問(wèn)題，在應(yīng)用時(shí)限制條件較多。船體減搖受到的混合力矩如圖1 所示。

圖1 船體減搖受到的混合力矩

船舶運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是一個(gè)強(qiáng)耦合非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，減搖鰭能夠減小橫搖幅度，獨(dú)立設(shè)計(jì)使用時(shí)需要較大的鰭容量，與此同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生艏搖，為克服艏搖，需要采用舵調(diào)節(jié)輔助方法。

綜合考慮，舵鰭聯(lián)合控制裝置能夠有效結(jié)合自由舵和減搖鰭的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)船舶綜合減搖更具有現(xiàn)實(shí)意義，該文采用舵鰭聯(lián)合控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制[11]。聯(lián)合控制器主要由傳感器、舵機(jī)、鰭機(jī)和控制器等部分構(gòu)成，利用船舶運(yùn)動(dòng)本身的六自由度耦合特性，將舵角和鰭角作為可用的控制量，將船舶的艏搖、橫搖和橫蕩作為輸出量，借助于舵鰭對(duì)振搖的耦合作用達(dá)到船舶減搖的控制[12]。

當(dāng)受到海浪橫搖干擾時(shí)，其橫搖力和橫搖角會(huì)通過(guò)傳感器傳遞至控制器，控制器如同人體大腦一般作出判斷，將命令傳遞至鰭機(jī)，減搖鰭作出反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)鰭角完成船舶減搖。當(dāng)海浪帶來(lái)艏搖干擾，艏搖力與艏搖角亦會(huì)通過(guò)傳感器反饋給控制器，控制器對(duì)舵機(jī)下達(dá)命令，調(diào)整舵角以達(dá)到減搖的目的，保證船舶的平穩(wěn)安全運(yùn)行。傳感器為硅壓力傳感器具有智能化、系統(tǒng)化和微型化的特點(diǎn)，采集到的信號(hào)穩(wěn)定性強(qiáng)，不易受外界環(huán)境影響，數(shù)據(jù)時(shí)效性和可靠性強(qiáng)。該文采用的控制器為MFAC 控制器，該控制器具有較高的自適應(yīng)控制能力，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，完成橫搖強(qiáng)度的判斷并進(jìn)行減搖參數(shù)的自主調(diào)試[13-14]。

2 雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制模型

船舶減搖系統(tǒng)具有時(shí)變性、高度非線(xiàn)性和強(qiáng)耦合復(fù)雜性的特點(diǎn)，須同時(shí)關(guān)注系統(tǒng)測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型[15-16]。

雙體清污船帶有T 型翼，會(huì)受到攻角變化率、船舶狀態(tài)、翼攻角幅值的約束，在模型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮船舶特征。雙體船在航行時(shí)，T 型翼產(chǎn)生的升力不與軸向平行，且遠(yuǎn)大于其阻力，因此阻力及其力矩可以忽略，升力計(jì)算如下：

其中，F(xiàn)T為T(mén) 型翼產(chǎn)生的升力；C為升力系數(shù)；ρt為水艙內(nèi)液體密度；S為翼型面積。

綜合減搖結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 綜合減搖結(jié)構(gòu)

外力作用會(huì)對(duì)雙體清污船產(chǎn)生干擾力和干擾力矩，其中外力包括海浪、海風(fēng)以及控制力的干擾，使雙體清污船進(jìn)行六自由度運(yùn)動(dòng)。六自由度運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3 所示。

圖3 中，Surge、Sway、Heave 分別表示船體平移運(yùn)動(dòng)的縱蕩、橫蕩與垂蕩，Roll、Pitch、Yaw 分別表示船體轉(zhuǎn)動(dòng)的橫搖、縱搖和艏搖。

圖3 六自由度運(yùn)動(dòng)示意圖

將船體看作一個(gè)剛體，根據(jù)剛體動(dòng)量矩定理和動(dòng)力定量，建立船體運(yùn)動(dòng)模型，“船舶-舵機(jī)-鰭機(jī)”系統(tǒng)的橫搖方程如下：

其中，x、y和z分別為艏搖角、橫搖角和橫蕩角；Nt表示水艙在橫搖過(guò)程中產(chǎn)生的阻尼；s0表示邊側(cè)液艙中液體的表面積；R表示從邊艙位置到船舶位置剖面的水平距離；λ表示船艙各個(gè)軸線(xiàn)之間的距離；h表示船舶重心位置；D表示船舶控制過(guò)程中產(chǎn)生的排水量；I1表示清理船舶過(guò)程中船舶轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jt表示艙內(nèi)清理過(guò)程中船舶轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；KW表示由于海浪干擾而產(chǎn)生的力矩；KF表示船舶在穩(wěn)定行駛過(guò)程中的力矩。

在“船舶-舵機(jī)-鰭機(jī)”系統(tǒng)的橫搖方程約束下，分析雙體清污船的運(yùn)動(dòng)特性，得到船體運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，η表示清污船的總位移，υ表示清污船的移動(dòng)速度，M表示移動(dòng)慣性矩陣，J表示動(dòng)力耦合矩陣，C表示航行負(fù)荷矩陣，L表示阻尼矩陣，g重力系數(shù)向量，τ表示作用在船體上的外力。

控制器CPU 能夠根據(jù)輸入信息產(chǎn)生與海浪干擾信號(hào)相對(duì)抗的控制信號(hào)，通過(guò)舵機(jī)和鰭機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生等效波傾角用于抵消海浪傾角，使系統(tǒng)輸出盡可能接近設(shè)定值，基于輸入?yún)?shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，建立空間模型完成系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文提出的雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法的使用效果，將基于分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法與該文所提方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，模擬的雙體清污船海上航行條件為浪高1 m、雙體清污船的航行速度為1 km/h，遭遇角為90°。雙體清污船的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)：船長(zhǎng)210.25 m，船寬30.55 m，吃水3.5 m，排水量19 000.25 t，重心高10.256 m，初穩(wěn)心高3.8 m，固有周期14.30 m，晃動(dòng)慣量0.95×103kg/m2。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性和嚴(yán)謹(jǐn)性，采用基于分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法和該文提出的雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法分別進(jìn)行雙體清污船減搖控制實(shí)驗(yàn)。兩種控制方法的角度修正誤差對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 兩種控制方法的角度修正誤差對(duì)比結(jié)果

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，在雙體清污船所受外界環(huán)境相同的條件下，當(dāng)雙體清污船航行速度相同，隨著航行時(shí)間的不斷增加，基于分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法的修正誤差較大，而該文提出的雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法的修正誤差較小。

綜上，該文提出的雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法的誤差修正能力高于基于分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法，該文所提方法能夠滿(mǎn)足雙體清污船的不同減搖要求。

基于以上兩種方法的修正誤差對(duì)比結(jié)果，針對(duì)不同方法對(duì)雙體清污船的減搖程度進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。兩種方法的減搖鰭船舶搖擺曲線(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 減搖鰭船舶搖擺曲線(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩種方法的減搖水艙船舶搖擺曲線(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 減搖水艙船舶搖擺曲線(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩種方法的船舶綜合搖擺曲線(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 船舶綜合搖擺曲線(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在該文提出的雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法控制下的雙體清污船，其船體橫擺運(yùn)動(dòng)的角度為-1°～2°之間，在雙體清污船遇到惡劣海況快速航行時(shí)，雙體清污船的橫擺角度有小幅度的增加，在采用該文提出的雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法后，雙體清污船的橫搖運(yùn)動(dòng)減弱，雙體清污船的穩(wěn)定性較好?；诜?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法下，雙體清污船橫搖運(yùn)動(dòng)的角度較大。由此可見(jiàn)，該文提出的雙體清污船綜合自適應(yīng)減搖控制方法的橫擺角低于基于分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法，該文控制方法可以更好地保證雙體清污船的穩(wěn)定性，魯棒性較高。

根據(jù)不同控制方法下的雙體清污船修正誤差以及橫擺角控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)雙體清污船的減搖率相同時(shí)，在該文提出的雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法的控制下，雙體清污船的角度修正誤差較低，而在基于分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法的控制下，雙體清污船的角度修正誤差較高，說(shuō)明該文方法能夠更加有效地降低角度修正誤差，并降低橫擺角的幅度。

綜上所述，該文提出的雙體清污船綜合減搖自適應(yīng)控制方法優(yōu)于基于分?jǐn)?shù)階自適應(yīng)滑模的雙體清污船減搖控制方法，該文控制方法的誤差修正能力較好、橫擺角較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人文活動(dòng)的增加，不少生活廢棄物進(jìn)入到河流中，對(duì)湖泊和河流造成嚴(yán)重污染，急需高效的水面清污船進(jìn)行清污處理。搖蕩運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)船只的安全性、適航性、船體設(shè)備與船員的正常工作造成很大影響。為保證清污船安全作業(yè)的同時(shí)，提高其自適應(yīng)控制，使其在無(wú)人工參與的情況下實(shí)現(xiàn)高效順利作業(yè)，該文研究雙體清污船綜合減震自適應(yīng)控制方法。針對(duì)船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的不確定性，將自適應(yīng)控制方法引入到雙體清污船綜合減搖系統(tǒng)中，采用舵鰭聯(lián)合控制裝置，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，保證船舶清污工作高效安全完成，具有較高的應(yīng)用前景。