基于闭环增益成形算法的船舶减摇鳍控制器设计与分析

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　　摘要：为增强船舶横摇稳定性，并对其物理本质特性进行深入研究，以工程应用需求为基础，设计一种基于闭环增益成形算法的简捷、高效、鲁棒性强的减摇鳍控制器。首次采用李雅普诺夫稳定性理论对该控制器进行稳定性分析并给出其稳定的充要条件。将规则波和多向不规则波作为外界干扰对该控制器进行MATLAB仿真，验证该控制器的有效性。结果表明，该控制器设计过程简单，控制参数物理意义明确，减摇效果良好，具有十分良好的工程应用潜力。
　　关键词： 船舶; 减摇鳍; 闭环增益成形; 李雅普诺夫稳定理论
　　中图分类号： U664.7+2    文献标志码： A
　　Abstract： In order to enhance the ship roll stability and study its physical properties deeply， a simple， efficient and robust fin stabilizer controller based on the closed-loop gain shaping algorithm is designed based on the engineering application requirements. The stability of the controller is analyzed by the Lyapunov stability theory for the first time， and the necessary and sufficient conditions for its stability are given. In order to verify the effectiveness of the controller， the simulation on the controller by MATLAB is carried out with the consideration of external disturbance produced by regular waves and multi-directional irregular waves. The results show that the controller is of simple design process， clear physical meaning of control parameters， good anti-rolling effect and good engineering application potential.
　　Key words： ship; fin stabilizer; closed-loop gain shaping; Lyapunov stability theory
　　 由于船舶的横摇运动阻尼较小，船舶在受到风、浪等的影响时极易产生剧烈的横摇运动。横摇幅度过大会影响船舶的工作效率和航行安全，因此如何提高船舶横摇稳定性是当前船舶控制领域的研究热点之一。
　　减摇鳍被公认是最好的主动式减摇设备，其减摇效果与采用的控制策略密切相关。很多学者提出了不同的减摇鳍控制策略，其中应用最为广泛的是PID控制策略[1]。PID减摇鳍控制器具有设计简单、可靠等优点。金鸿章等[2]针对传统PID减摇鳍控制器不能在各种海况各种船舶运行状态下保持最优的减摇性能，提出了一种变参数PID控制器，通过改变控制器参数优化不同情况下的减摇效果。为适应更多的船型以及不同的环境状况，许多先进的控制策略被提出，如：杨盐生等[3]提出一种变结构模糊自适应鲁棒控制算法，并以船舶减摇鳍控制系统为例验证了该算法的有效性;王新屏等[4]根據减摇鳍系统的非线性数学模型，通过采用精准反馈法对系统进行线性化，进而提出了一种具有鲁棒性的减摇鳍控制器;HINOSTROZA等[5]提出了一种基于L2增益的减摇鳍控制策略，采用状态反馈进行模型误差的补偿，通过设计李雅普诺夫函数保证减摇鳍的稳定性和可靠性;GUAN等[6]详细研究了船舶横摇运动的非线性现象，采用负反馈控制算法设计减摇鳍控制器，并给出了负反馈系数的范围，有效减轻了船舶横摇运动的非线性现象;LUO等[7]基于前馈神经网络自适应鲁棒控制策略设计了减摇鳍，很好地解决了由波浪引起的建模误差和环境扰动问题;苗保彬等[8]基于李雅普诺夫稳定性定理采用径向基神经网络对系统中的不确定性进行估计补偿，设计了一种减摇鳍控制器;梁利华等[9]将减摇鳍作为一种非线性时变系统进行研究，并提出了一种减摇鳍升力反馈自适应控制策略，减小了系统反馈积累的误差，提高了减摇鳍的抗干扰性。
　　综合上述文献可知，许多先进的控制策略都能够很好地解决不同船型和不同环境状况下的船舶横摇问题，也都取得了不错的减摇效果，但在减摇鳍控制器的设计策略中都缺乏对减摇鳍工程应用需求的考虑，未能对减摇鳍控制系统物理本质特性及其工程应用需求进行深入分析，因此并未真正地对船舶减摇鳍的控制器设计进行工程应用优化。闭环增益成形算法[10-11]作为一种基于被控对象物理本质特性的控制器设计策略，具有结构简单、物理意义明确等优点，可满足真实工程的需求，因此本文尝试将闭环增益成形算法应用于船舶减摇鳍控制器的设计。本文首次采用李雅普诺夫稳定性理论对基于闭环增益成形算法的减摇鳍控制器的稳定性进行理论分析并给出控制器稳定性的充要条件。为验证所提出方法的有效性，本文分别将规则波和多向不规则波作为外界干扰对所提出的减摇鳍控制器进行数字仿真，为接下来的工程应用提供坚实的研究基础。
　　仿真环境设定：6级风，波浪的运动周期为8 s，海浪的有义波高为3 m，初始横摇角为10°。多向不规则波的仿真环境效果图见图7。从图7可以看出，多向不规则波与真实海浪更为贴近，将多向不规则波作为外界干扰更能说明控制效果的可信度。仿真选取遭遇角为30°，船舶的重心设在坐标轴的原点。由图7b可以看出，横向带箭头的线段为波浪的前进方向，船首的方向与海浪的前进方向呈30°角。 　　 船舶在多向不规则波中无减摇鳍控制时的横摇响应曲线见图8。
　　 图9是船舶在多向不规则波中有减摇鳍控制时的横摇状态与鳍角输出情况。由图9可得出，在多向不规则波的仿真环境下，本文设计的控制器与传统的PID控制器都取得了不错的减摇效果，但传统的PID控制器横摇角的超调量较大。根据上文的减摇率计算公式可得传统PID控制器和本文提出的控制器的减摇率分别为88.5%和93.8%，本文设计的减摇鳍控制器更好。
　　4 结 论
　　本文从船舶横摇运动的机理与船舶减摇鳍闭环反馈控制工程的需求出发，将闭环增益成形算法应用于船舶减摇鳍控制器的设计，首次用李雅普诺夫稳定性理论分析了基于该算法的减摇鳍控制器的参数选择范围并给出控制器稳定的充要条件。在控制器参数择优时，从船舶减摇鳍控制器动态和静态响应性能出发进行控制器参数的评价，使得控制器参数的选择可满足不同的工程实践要求，在工程实践中具有良好的应用与推广价值。在仿真中以大连海事大学“育鲲”号教学实习船为例，采用规则波和多向不规则波作为外界干扰分别进行数字仿真，并且通过数字仿真对比实验验证本文所提出的减摇鳍控制策略的有效性。本文提出的减摇鳍控制器效果良好，减摇率为91.2%～96.7%，较传统的PID减摇鳍控制器有明显的优势。本文所提出的控制器设计方法简单，控制器参数物理意义明确，鲁棒性强，而且有着严谨的理论分析，在未来的实际工程应用中會有非常好的应用潜力。
　　参考文献：
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