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摘要:

為解決船舶航行過程中的橫向運動控制問題，本文提出一種基于閉環增益成形算法和T－S模糊算法的新方法。其中T－S模糊優化算法用來計算滾轉和偏航的加權系數，并結合閉環增益成形算法，設計了魯棒PID控制器對橫擺和偏航進行控制，并將其組合成橫向控制器。仿真結果表明，該控制器具有較強的魯棒性和自適應能力，對船舶橫向運動控制以及轉向器的損失可以通過一個合理的加權系數來降低。本文提出的方法對船舶橫向運動控制提供了一種新的理論，為實際工程中的應用提供了理論基礎。

關鍵詞:

模糊控制;滾轉與橫向運動;船舶控制

船舶橫向控制主要包括滾轉和偏航控制。一般而言，轉向僅用于控制偏航，但轉向不僅可以產生航向變化，而且還可以在高速的情況下使船舶同時產生滾轉。由于船舶的滾轉力矩可以由舵控制，因此，舵作為一種穩定器可行，并且使用船舵穩定技術減少船舶的滾轉幅度，已經得到了較為廣泛的應用。舵減搖技術首先由Cowley和Lamber在1972年提出，通過研究他們發現船舶的滾轉由船舵和海面的波干擾共同決定，并且能夠通過船舵的操作，有效減少船舶的滾轉幅度［1］。目前，很多控制方法已被應用于舵減搖技術，如神經網絡控制方法、PID控制方法［2－4］、自適應控制等［5］，但是這些方法通常非常復雜且并未考慮到轉向損失的問題，為解決這一問題，本文提出一種基于閉環增益成形算法和模糊優化算法的新型控制方法。閉環增益成形算法由于其簡單易實現的特點，被廣泛應用于多個工業領域，其根據理想形狀的靈敏度函數和閉環頻率譜確定4個主要參數:最大奇異值、帶寬頻率、高頻漸近線的峰值和斜率，并依據這4個參數構建魯棒控制器。由于通過單獨使用魯棒PID控制器即可減少轉向損失，因此模糊優化算法被用來優化加權系數。最終，仿真結果顯示通過使用本文提出的算法，船舶的滾轉能夠最多減少55%，使用模糊優化算法能夠減少40%的轉向損失，且同時能夠有效減少對于船舶偏航的負面影響。

1線性船舶模型

1.1船舶模型線性船舶模型如圖1所示。根據以上的方程及文獻［1］中給出的船舶參數，可得。

1.2船舵模型船舶轉向機是一類很高的非線性系統，它存在著機械系統的飽和問題。該型號的轉向機如圖1所示。

1.3波浪模型船舶的移動由船舵和環境擾動共同決定，對于波浪擾動的建模，一般使用P－M譜或ITTC多譜，但在利用船舵減少滾轉時，僅高頻滾動可以被減小，因此，本文僅考慮一階波浪擾動。

2優化算法

2.1閉環增益成形算法船舵的控制可分為:，閉環系統的帶寬頻率設定1/T1，閉環傳遞函數的頻譜的高頻漸近線斜率設置為－20dB/dec，則懲罰靈敏度函數的奇異值曲線近似為一階慣性系統。因此，閉環增益整形算法的表達式。

2.2T－S模糊優化算法基于模糊優化算法和閉環增益成形算法的系統結構如圖2所示。

3結語

為了解決船舶在航行過程中的橫向移動控制問題，本文設計了一種閉環增益成形算法，結合模糊優化算法，有效地提高了船舶移動過程中的穩定性。實驗結果證明，通過模糊優化算法，能夠有效減少42.38%的轉向損失，證明本文提出的算法具有較高的可行性和有效性。

參考文獻:

［1］ALARCINF，GULEZK．Rudderrollstabilizationforfishingvesselusingneuralnetworkapproach［J］．OceanEngineering，2007，34:1811－1817．

［2］FANGMing-chung，ZHOUYoung-zoung，LEEZi-yi．Theapplicationoftheself-tuningneuralnetworkPIDcontrollerontheshiprollreductioninrandomwaves［J］．OceanEngineering，2010，37:529－538．

［3］LEES，RHEEKey-pyo，CHOIJin-woo．Designoftherollstabilizationcontroller，usingfinstabilizersandpodpropellers［J］．AppliedOceanResearch，2011(33):229－239．

［4］馮宏偉，何祖軍，楊奕飛．基于模糊層次評價法的動力定位系統綜合評價［J］．艦船科學技術，2015，37(2):112－118．

［5］杜德銀，楊代強．船舶控制系統中復合誤差控制算法［J］．艦船科學技術，2015，37(1):78－94．

作者：任云燁 單位：南通航運職業技術學院 航海系