【正文】 船舶行駛方向一致，能幫助驅(qū)動(dòng)船舶向前行駛；當(dāng)鰭的拍動(dòng)角增大時(shí)，升力反而減小。兩者相比最大的不同就是改變了鰭的拍動(dòng)方向，雖然也是上下拍動(dòng)，但鰭面與船體是平行的。（a）是單翼橫向拍動(dòng)型零低航速減搖鰭的基本結(jié)構(gòu)示意圖。 零低航速減搖鰭的工作原理 根據(jù)上式（24）可以看出，普通減搖鰭上產(chǎn)生的升力與船速的二次方成正相關(guān)關(guān)系。然而，當(dāng)鰭角增加到臨界值時(shí)，此時(shí)流經(jīng)鰭面的水就不再沿著鰭的表面均勻流動(dòng)，而是產(chǎn)生低速的小漩渦，使鰭發(fā)生抖振，這樣鰭面上的升力急劇的下降，這就是“失速”現(xiàn)象。這樣由于上下兩個(gè)鰭面之間因?yàn)閴翰畹拇嬖冢^而產(chǎn)生升力。船舶在航行中受到水文環(huán)境的擾動(dòng)產(chǎn)生橫搖時(shí)，橫搖傳感器檢測(cè)到船舶的橫搖角，在減搖鰭控制系統(tǒng)的指令下驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)兩只鰭打到角度相同方向相反的角度，流過鰭上下表面的水使減搖鰭產(chǎn)生升力，從而產(chǎn)生一個(gè)扶正力矩來對(duì)抗橫搖干擾力矩，從而減輕船舶橫搖。 （4）制定全航速下減搖鰭控制原則和策略，建立并仿真海浪干擾模型，最后進(jìn)行全航速下減搖鰭的仿真研究 全航速分為零低和中高兩個(gè)階段，以6節(jié)航速為分界線，減搖鰭分別采用不同的工作方式來減搖，建立并仿真長(zhǎng)峰波海浪，對(duì)兩種工作模式的鰭都采用PID控制算法，仿真取得較好的減搖效果，表明全航速下減搖鰭控制系統(tǒng)理論上是可行的。 金鴻章、郭晨教授等人將智能控制應(yīng)用到了傳統(tǒng)減搖鰭的控制器中。傳統(tǒng)減搖鰭開始大放異彩，世界各國公司紛紛開發(fā)并推出了自己的減搖鰭裝置，如英國的RollsRoyee公司、Victric Muirhead公司，美國的Sperry Marine公司、VT NaiadMarin。孟令衛(wèi)運(yùn)用實(shí)物平臺(tái)，對(duì)零低航速減搖鰭的模型進(jìn)行了升力和水動(dòng)力特性的測(cè)量工作。 安裝零低航速減搖鰭裝置的游艇把視線拉回到我國，國內(nèi)對(duì)零低航速減搖鰭的研究發(fā)展才剛剛開始，哈爾濱工程大學(xué)率先對(duì)零低航速減搖鰭展開了探索和研究，建立起了比較成熟的零低航速減搖鰭理論體系。特別是當(dāng)風(fēng)浪的拍船周期與船舶的橫搖周期相接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧振，這使得船舶橫搖運(yùn)動(dòng)尤為嚴(yán)重。減搖鰭通常安裝在船舶中間的兩舷毗部，成對(duì)稱形式，一般為一對(duì)或兩對(duì)，剖面形狀與飛機(jī)機(jī)翼類似。 盡管減搖水艙能在全航速下進(jìn)行減搖，且有著結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低，維護(hù)起來方便等優(yōu)點(diǎn)，然而水艙占用船舶內(nèi)大量的內(nèi)部體積，而且其減搖效果也不是非常理想（最好能取得50%左右的減搖效果），使得其僅僅安裝在了少數(shù)船舶上，例如海監(jiān)船。當(dāng)前，絕大多數(shù)船舶都安裝了毗龍骨，它己然是船舶船體上不可或缺的一部分。為了使船舶能在系泊狀態(tài)、低航速和中高航速下都能保持平穩(wěn)的工作狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)一套滿足上述要求的減搖鰭，而且成本要在合理范圍內(nèi)并易于維護(hù)。隨著國家對(duì)海洋開發(fā)愈來愈重視，特種工作船舶逐漸增加，像石油勘探船、化學(xué)品船、液化天然氣船等需要在各種海況下完成平穩(wěn)工作的任務(wù)。分別以傳統(tǒng)的電液伺服系統(tǒng)和矢量控制電伺服系統(tǒng)以及加入模糊控制器改進(jìn)后的電伺服系統(tǒng)作為隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)船舶減搖鰭控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。交流伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低且可靠性高等特點(diǎn)，它的研究開發(fā)將促進(jìn)減搖鰭在一些中小型船舶中的應(yīng)用。 Servo system。目前，為了解決船舶在全航速下都能平穩(wěn)安全的航行，一些船舶選擇在船上安裝兩套不同的減搖裝置：減搖水艙和減搖鰭。 減搖裝置（1）毗龍骨 毗龍骨的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，就是一根長(zhǎng)條狀物體，通常沿著船體的縱向方向安裝在船體的兩側(cè)，呈對(duì)稱形式。 主動(dòng)式減搖水艙是在可控被動(dòng)式減搖水艙的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)抽水設(shè)備，該設(shè)備能控制水艙兩端的水流量大小也可改變其流動(dòng)的方向。然而，舵減搖也有其明顯的不足之處，即只能依靠水流速度產(chǎn)生足夠的減搖力矩，因此舵減搖裝置只能應(yīng)用在中高速航行的船舶。固定式減搖鰭如下圖（a）所示，鰭面與鰭軸平行，只能繞鰭軸旋轉(zhuǎn)，不能收回船體中，故而又稱為不可收放式減搖鰭；它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，然而它會(huì)增加船舶在零低航速下的航行阻力。自此以后，零低航速減搖鰭開始了蓬勃的發(fā)展，后來，VT Naiad Marine公司又陸續(xù)研發(fā)出了多種產(chǎn)品，如OnAnchor、ZeroSpeed、SATMD等適用于零低航速船舶的減搖鰭產(chǎn)品。鑒于此種情況，張曉飛博士和金鴻章教授提出了一種單翼的零低航速減搖鰭，它在工程上易于實(shí)現(xiàn)，因此更具應(yīng)用意義。1935年，英國Brown Brother公司在一艘2200噸的大型海峽輪渡船上安裝了減搖鰭裝置，運(yùn)營后表明，船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)降低較為明顯。李高云等人設(shè)計(jì)了一種GAFC（基于遺傳算法的模糊控制）來改善 PID控制器適應(yīng)性差的問題，結(jié)果表明，GAFC PID復(fù)合控制器具有更好的控制效果；葉瑰的等人通過采用模糊參數(shù)自整定PILL控制器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)特性變化與控制變量直接的非線性映射關(guān)系，有效地抑制了噪聲干擾。（2）建立鰭的升力模型 鰭上產(chǎn)生的升力十分復(fù)雜，建立精確的升力模型對(duì)后續(xù)控制至關(guān)重要。該系統(tǒng)電路采用了SPWM電壓型逆變器，轉(zhuǎn)速采用轉(zhuǎn)差頻率控制，即異步電動(dòng)機(jī)定子角頻率由轉(zhuǎn)子角頻率和轉(zhuǎn)差角頻率組成。它由控制器部分，驅(qū)動(dòng)減搖鰭的隨動(dòng)系統(tǒng)以及機(jī)械鰭三部分組成。通常非常小，因此有，故式（22）可以變?yōu)椋? (23) 聯(lián)合式（22）與（23）可以得到： (24) 由上式（24）可知，對(duì)于某個(gè)確定的減搖鰭系統(tǒng)來說，扶正力矩的大小主要與航速和升力系數(shù)有關(guān)，升力系數(shù)又與減搖鰭攻角成對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前，減搖鰭控制系統(tǒng)大規(guī)模采用的仍是PID控制器。零低航速減搖鰭利用的有效部分是總作用力沿豎直方向的分力，而仿生魚尾鰭利用的有效部分則是總作用力沿平行于前進(jìn)方向的分力,，從圖中可以看出，鰭上的升力和鰭的拍動(dòng)角度為余弦關(guān)系，拍角越大，升力反而越小，通常拍動(dòng)角不超過。 （a）單翼橫向拍動(dòng)型的零低航速減搖鰭 （b）單翼縱向拍動(dòng)型的零低航速減搖鰭 單翼零低航速減搖鰭圖 基于單翼縱向拍動(dòng)的零低航速減搖鰭 （b）所示的為單翼縱向拍動(dòng)型零低航速減搖鰭的基本結(jié)構(gòu)示意圖。因此，單翼縱向拍動(dòng)鰭在工程實(shí)際中得到了比較廣泛的應(yīng)用。經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性較強(qiáng)，但在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能之間，跟蹤設(shè)定值和抑制擾動(dòng)能力之間存在著矛盾，通常采用折衷的處理方法，使系統(tǒng)不能獲得最佳的控制效果。很明顯，模糊邏輯是二值邏輯的擴(kuò)展，它摒棄了二值邏輯簡(jiǎn)單的肯定或否定，它允許一個(gè)命題亦此亦彼，存在著部分肯定和部分否定，只不過隸屬程度不同而已，因而它很容易恰當(dāng)?shù)孛枋隼?、熱之類的形容詞。 （4）由離線計(jì)算得到控制表，提高控制系統(tǒng)的實(shí)用性。模糊器將輸入表示為一個(gè)模糊集，使得推理單元在存儲(chǔ)于知識(shí)庫中的規(guī)則下與之匹配。在應(yīng)用中，通常將采用的模糊規(guī)則用模糊控制規(guī)則表的形式表示出來。 減搖鰭電伺服系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計(jì)由于電機(jī)往往要受到不同程度的負(fù)載擾動(dòng)和鰭角給定的不確定性，使得電機(jī)在的輸入、輸出值會(huì)突然的增加和減小，造成很大的誤差，因此，我們采用自調(diào)整的模糊PID控制器，這種控制器是由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PID控制器和一個(gè)Fuzzy自調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。為便于工程實(shí)現(xiàn)，通常輸入量的隸屬函數(shù)采用正態(tài)型、三角形型、梯形型。 把有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜业目刂浦R(shí)和經(jīng)驗(yàn)制定出若干模糊控制規(guī)則，并對(duì)它們進(jìn)行形式化數(shù)學(xué)處理，這些規(guī)則可以用自然語言來表達(dá)，再模仿人的模糊邏輯判斷推理過程，確定推理方法，這樣計(jì)算機(jī)就可以用模糊化的輸入量，根據(jù)制定的模糊控制規(guī)則和事先確定好的推理方法進(jìn)行模糊推理并得到模糊輸出量，即模糊輸出隸屬函數(shù)。然而在實(shí)際應(yīng)用中要控制一個(gè)物理對(duì)象，只能從模糊輸出隸屬函數(shù)中找出一個(gè)最能代表這個(gè)模糊集合即模糊控制作用可能性分布的精確量，這就是解模糊判決。在輸出是離散值的情況下，控制作用可以用下式求得：(37) 不同的解模糊方法，對(duì)于同一個(gè)模糊子集合而言，會(huì)得到不同的結(jié)果。模糊控制器在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性。而不是自然頻率。但是，當(dāng)船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)角度較小時(shí)，可以應(yīng)用線性橫搖理論來分析船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)。 實(shí)際系統(tǒng)中，減搖鰭在伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生一定的鰭角，這一環(huán)節(jié)可以認(rèn)為是將轉(zhuǎn)換成波傾角的比例環(huán)節(jié)，具體的推導(dǎo)過程如下： 減搖鰭產(chǎn)生的扶正力矩為： (430)由式（430）可推得： (431) 式中：鰭的投影面積； 鰭升力系數(shù)斜率； 海水密度； 來流速度； 升力力臂； 船舶排水量； 船舶橫穩(wěn)心高。（海浪有義波高；遭遇浪向角） 減搖效果統(tǒng)計(jì)基于以上仿真，對(duì)減搖鰭電伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果和船舶減搖效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中：統(tǒng)計(jì)數(shù)字中的角度均是計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)均方差；。90176。45176。與傳統(tǒng)的電液伺服系統(tǒng)相比，電伺服系統(tǒng)具有更好的減搖效果，加入模糊控制器改進(jìn)后，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)各種海情的適應(yīng)性，使整體減搖效果有進(jìn)一步的提高。 同時(shí)，與傳統(tǒng)的減搖鰭電液伺服系統(tǒng)相比，采用電伺服系統(tǒng)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造和維護(hù)成本低、控制維修調(diào)試方便、運(yùn)行可靠、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能，同時(shí)能夠勝任減搖鰭的各種操作要求。他淵博的學(xué)識(shí)、平易近人的風(fēng)范、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和以身作則的高尚品質(zhì)，不斷激勵(lì)我奮進(jìn)，努力的完成自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)，感謝他為我點(diǎn)亮了通向成功之路的啟明燈！最后，感謝我的母校，希望她能越辦越興旺，培養(yǎng)出更多更優(yōu)秀的人才。參考文獻(xiàn)[1] 譚軍鑫．伺服系統(tǒng)在線傳動(dòng)間隙辨識(shí)及其負(fù)面效應(yīng)抑制(碩士學(xué)位論文)[D]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012：37；[2] 陳建國．船舶橫搖運(yùn)動(dòng)仿真及減搖鰭系統(tǒng)控制[D]．大連：大連理工大學(xué)，2005：2426；[3] 張安國．船舶減搖鰭控制系統(tǒng)的仿真研究[D].大連海事大學(xué)，：2326；[4] Cowley WE，Lambert TH．The Use of Rudder as a Roll Stabilizer[J]．Proeeeding ofSCSS’72，V01．2，Bath，UK，1972：3540；[5] 金鴻章．智能技術(shù)在船舶減搖鰭系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2003：110122；[6] 江同洋．船舶橫搖運(yùn)動(dòng)及減搖鰭控制系統(tǒng)的仿真研究[D].大連：大連海事大學(xué)，：2030；[7] He Chao, Xu Lixin, Zhang Yuhe．Backlash nonlinear pensation of servo system s using backpropagation neural networks[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 1999, 8(3)：300305；[8] 齊小偉．船舶減搖鰭系統(tǒng)仿真[D]．大連：大連海事大學(xué)，2008：1518；[9] 梁利華 液壓傳動(dòng)與電液伺服系統(tǒng)[M].2005：170180；[10] ，．Identification of a Dynamical System with Input Nonlinearity[C]．IEEE Proc on Control Theory．1999：4151；[11] 劉應(yīng)中．船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，1987：9093；[12] 金鴻章，姚緒梁．船舶控制原理[M]．第l版．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001：120125；[13] Gang Tao and Peter . Adaptive Controlof Systems With Actuatorand Sensor Nonlinearities[M]. New York, John Wiley amp。但由于其存在著價(jià)格高、體積大、密封器件老化、漏油、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。135176。45176。：傳統(tǒng)的減搖鰭伺服系統(tǒng)采用的是電液伺服系統(tǒng)，特點(diǎn)是液壓元件輸出力矩比較大；電伺服系統(tǒng)是電機(jī)通過減速器直接驅(qū)動(dòng)減搖鰭簡(jiǎn)化了系統(tǒng)同時(shí)又采用了響應(yīng)速度快、暫態(tài)時(shí)間短的矢量控制方法，因此其響應(yīng)特性要優(yōu)于電液伺服系統(tǒng)，船舶減搖鰭控制系統(tǒng)的減搖效果也要略好于電液伺服系統(tǒng)。這里僅給出靜態(tài)值，用此值來完成鰭角到波傾角的轉(zhuǎn)換也可以得到較滿意的效果。依照Conolly橫搖方程，船舶線性橫搖的數(shù)學(xué)模型可以表示為： (418) 式中： I船舶橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量