【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)中必然會鰭角的最大值進行限定，一般不超過30176。當海浪干擾因素使船舶發(fā)生橫搖時，橫搖角信號傳感器將檢測到的信號傳給控制器，控制器對橫搖信號進行處理，算出鰭角應(yīng)該打到的角度，伺服液壓系統(tǒng)驅(qū)動鰭轉(zhuǎn)到指定的位置角度。當船舶的橫搖角不斷變化時，鰭角也隨著相應(yīng)的改變，產(chǎn)生合適的扶正力矩來抵消橫搖力干擾力矩，減搖鰭的控制系統(tǒng)原理圖如下圖所示。 采用鰭角反饋的減搖鰭控制系統(tǒng)原理框圖如果船舶的航速一定，則鰭上的升力和鰭角的關(guān)系可進行線性化處理。目前，減搖鰭控制系統(tǒng)大規(guī)模采用的仍是PID控制器。此控制器由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)構(gòu)成，它是控制界最經(jīng)典的算法。其優(yōu)勢在于：具有很強的靈活性，能方便的調(diào)整三個環(huán)節(jié)參數(shù)的大小，過程迅速，實現(xiàn)起來也容易；可靠性好，系統(tǒng)參數(shù)的影響對控制效果微乎其微。 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。因此，如果船舶以很低的航速行駛，或者處于停泊狀態(tài)時，減搖鰭上產(chǎn)生的升力就會近乎為零，扶正力矩也變得很小，無法與較大的橫搖力矩相抵消，所以普通減搖鰭就無法有效的工作。鑒于此種情況，一種新型的減搖鰭應(yīng)運而生，零低航速時，鰭角的位置一定來對抗橫搖力矩是毫無效果的。因此，零低航速減搖鰭采取鰭繞鰭軸主動急拍的方式產(chǎn)生升力。 單翼零低航速減搖鰭的運動方式示意圖零低航速減搖鰭與仿生魚的尾鰭推進裝置看起來雖然十分的相似，但是它們還是有所不同。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方向的分力,，從圖中可以看出，鰭上的升力和鰭的拍動角度為余弦關(guān)系，拍角越大，升力反而越小，通常拍動角不超過。 零低航速減搖鰭的升力產(chǎn)生原理圖 零低航速減搖鰭的工作方式 基于單翼橫向拍動的零低航速減搖鰭 由鳥類的飛行運動可知，當鳥兒起飛時，上下拍動翅膀，由此來產(chǎn)生升力。零低航速減搖鰭就是基于此原理，拍動方式有垂直于船航行方向的橫向拍動鰭和平行于船速方向的縱向拍動型。（a）是單翼橫向拍動型零低航速減搖鰭的基本結(jié)構(gòu)示意圖。 （a）可以看出，零低航速減搖鰭與普通減搖鰭很相似，安裝位置都是在船體的般部。然而，零低航速減搖鰭的鰭軸和普通的減搖鰭是完全不同的。普通的減搖鰭只有一根與船舷垂直的鰭軸，鰭面安裝在于船體平行的位置；而單翼橫向拍動型鰭則一共有兩根鰭軸，鰭軸1和普通減搖鰭鰭軸相同，垂直貫穿于船體，鰭軸2連接在鰭軸1上，與船體平行，鰭面則安裝于鰭軸2之上，與船體相垂直，鰭軸1和鰭軸2之間采用機械連動裝置，使兩根鰭軸能保持固定，并傳送動力讓鰭面沿著鰭軸2上下拍動。橫向拍動鰭能產(chǎn)生較大的升力，并且對船舶的行駛幾乎沒有阻力，但是它機械連動裝置結(jié)構(gòu)復雜，需要驅(qū)動的功率大，無法使用船舶的推進能量，更為糟糕的是，在中高航速下無法有效的進行減搖工作。 （a）單翼橫向拍動型的零低航速減搖鰭 （b）單翼縱向拍動型的零低航速減搖鰭 單翼零低航速減搖鰭圖 基于單翼縱向拍動的零低航速減搖鰭 （b）所示的為單翼縱向拍動型零低航速減搖鰭的基本結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，和普通的減搖鰭相比，縱向拍動型零低航速減搖鰭無論是從結(jié)構(gòu)還是安裝的位置都是完全一樣的。它有唯一的一根鰭軸和套在鰭軸上的鰭面組成。兩者相比最大的不同就是改變了鰭的拍動方向，雖然也是上下拍動，但鰭面與船體是平行的?？v向拍動鰭產(chǎn)生的升力比橫向拍動鰭在同樣的運動條件下要小一些，通過增大鰭面積或改變鰭的形狀來增加鰭上產(chǎn)生的升力?？v向拍動鰭與橫向拍動鰭相比少了一根鰭軸，從而簡化了機械傳動裝置，便于工程上的實現(xiàn)，而且有很重要的一點，它和中高航速下減搖鰭的工作方式匹配度非常的吻合。 兩種類型零低航速減搖鰭優(yōu)缺點 零低航速下的單翼縱向拍動鰭無論是外形還是安裝的方式都和普通減搖鰭是一樣的，只需改變鰭的鰭角拍動頻率就可以很方便在零低很中高航速之間靈活的轉(zhuǎn)換，這樣既可以降低伺服系統(tǒng)驅(qū)動功率又能提高減搖效能。而且，由于普通減搖鰭已經(jīng)非常成熟，只需在它的基礎(chǔ)上稍加改動就能實現(xiàn)設(shè)計功能，所以結(jié)構(gòu)比較簡單，工程造價也較低，易于大規(guī)模推廣。因此，單翼縱向拍動鰭在工程實際中得到了比較廣泛的應(yīng)用。但是它也有自身的不足之處，表現(xiàn)為伺服系統(tǒng)驅(qū)動功率利用率低。因為鰭面拍動的前后的都是開闊水域，鰭面拍動周圍的水流不受限制，這使得水流朝各個方向流動，因此驅(qū)動鰭拍動的能量損失了很大一部分，而轉(zhuǎn)移到了周圍的水的動能中。與此同時，鰭面產(chǎn)生的作用力在水平方向的分力與船舶行駛方向一致，能幫助驅(qū)動船舶向前行駛；當鰭的拍動角增大時，升力反而減小。為了增大升力，因此零低航速鰭比普通鰭面積要大。 零低航速減搖鰭綜合性能對比縱向拍動單翼鰭橫向拍動單翼鰭結(jié)構(gòu)較簡單，工程實現(xiàn)容易結(jié)構(gòu)復雜，工程上實現(xiàn)較困難零低與中高航速切換容易零低與中高航速切換困難伺驅(qū)動鰭的功率利用率低，需要增大鰭面積伺驅(qū)動鰭的功率利用率高，不用太大鰭面積升力較小升力較大可以利用船舶航行的能量無法利用船舶航行的能量 本章小結(jié)綜上所述，目前最適合全航速下的減搖鰭是單翼縱向拍動型，它能滿足此范圍內(nèi)減搖的要求。當船舶停泊在水面或者以較低航速行駛時，使用快速上下拍水的零低航速減搖鰭工作方式，中高航速時則切換為普通減搖鰭進行有效的減搖。第3章 減搖鰭動力系統(tǒng)電伺服系統(tǒng)模糊控制由于船舶和海洋環(huán)境的復雜性和不確定性，船舶往往要受到各種情況下，不同程度的海浪擾動，減搖鰭伺服系統(tǒng)中的電機轉(zhuǎn)軸也要承受不同程度的負載擾動，這給船舶減搖鰭系統(tǒng)的有效控制帶來很大困難。經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性較強，但在靜態(tài)和動態(tài)性能之間，跟蹤設(shè)定值和抑制擾動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。模糊控制器的設(shè)計由于不針對具體海情，是根據(jù)人的經(jīng)驗規(guī)則來進行，因此非常適用于減搖鰭伺服系統(tǒng)。 模糊控制器Zadeh首先于1973年發(fā)表模糊理論，欲以語言變量描述真實的世界，但在發(fā)源地美國所受的注意有限，后來Mamdan i E. H于1974年首先將模糊控制組成Fuzzy控制器，成功地用于蒸汽機的自動控制之中。其最大優(yōu)點是不依賴于被控制對象的精確數(shù)學模型，能夠克服非線性因素的影響。對調(diào)節(jié)對象的參數(shù)變化具有較強魯棒性。因而在電力拖動領(lǐng)域中的應(yīng)用相比智能控制的另外兩種方法來講要成熟得多。 模糊邏輯從含義上比其它傳統(tǒng)邏輯更接近人類的思想和自然語言。它能夠?qū)φ鎸嵤澜绲慕频摹⒉淮_切的特性進行刻畫，所以很容易為人所接受。很明顯，模糊邏輯是二值邏輯的擴展，它摒棄了二值邏輯簡單的肯定或否定，它允許一個命題亦此亦彼，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?shù)孛枋隼?、熱之類的形容詞。 其中模糊控制規(guī)則的特征是：首先，模糊控制是一種運算規(guī)則與一般人類語言相聯(lián)系的控制方式，它很容易適應(yīng)人類的模糊語言，因此它能具體表達控制器的內(nèi)部作用。如果采用模糊規(guī)則控制，我們就能很方便的理解控制器的結(jié)構(gòu)，并且對控制規(guī)則作出調(diào)整，因此模糊控制規(guī)則還具備學習能力。其次，模糊控制規(guī)則有類似這樣的控制結(jié)構(gòu)，就是控制輸入和控制輸出是由控制規(guī)則決定的，并且采用“如果那么”這樣的形式。由于這樣的控制結(jié)構(gòu)，它能很好地適應(yīng)非線性設(shè)備和復雜設(shè)備的控制。 模糊控制與常規(guī)控制相比，具有以下優(yōu)點： （1）模糊控制具有較強的魯棒性，被控對象參數(shù)的變化對模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)的控制。 （2）模糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗基礎(chǔ)上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，無需建立被控對象的數(shù)學模型，是解決不確定系統(tǒng)的一種有效途徑。 （3）模糊控制的機理符合人們對過程控制的直觀描述和思維邏輯，由工業(yè)過程的定性過程出發(fā)，建立語言變量控制規(guī)則。 （4）由離線計算得到控制表，提高控制系統(tǒng)的實用性。 （5）由不同的觀點出發(fā)，可以設(shè)計幾個不同的指標函數(shù)，但對一個給定的系統(tǒng)而言，其語言控制規(guī)則分別獨立，通過整個控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，可以取得總體的協(xié)調(diào)控制。 模糊控制的一般過程如圖3. 1所示：圖3. 1 模糊系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該模糊系統(tǒng)由如下四個基本要素組成： （1）知識庫（knowledge base）：它包括模糊集和模糊算子的定義。 （2）推理機制（inference engine）：它執(zhí)行所有的輸出計算。 （3）模糊化（fuzzification）：它將真實的輸入值表示為一個模糊集。 （4）反模糊化（defuzzification）：它將輸出模糊集轉(zhuǎn)化為真實的輸出值。 知識庫中包含了每一個模糊集的定義，并保持一套算子以實現(xiàn)基本的邏輯，同時用一個規(guī)則信度矩陣表示模糊規(guī)則映射。推理單元與模糊器和反模糊器一起，從參考輸入計算出真實的輸出值。模糊器將輸入表示為一個模糊集，使得推理單元在存儲于知識庫中的規(guī)則下與之匹配。然后推理單元計算每一規(guī)則的作用強度，并輸出一個模糊分布（所有模糊輸出集的并），該模糊分布表示真實輸出的模糊估計。最后，這些信息被反模糊化為單值，該值即為模糊系統(tǒng)的輸出。 模糊化過程與反模糊化過程可被視為模糊規(guī)則與實際控制量之間的接口。輸入值必須表示為模糊集的形式，才能進行推理。而模糊輸出集的信息必須被轉(zhuǎn)換為一個單值，這就是模糊推理系統(tǒng)的輸出實值。 模糊規(guī)則表示“if…then…”條件語句。其具體作用對多個變化條件的前提經(jīng)推理產(chǎn)生一個決策結(jié)果。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。模糊規(guī)則可以由相關(guān)領(lǐng)域的專家給出，也可以通過大量的試驗數(shù)據(jù)給出。此外，要保證模糊規(guī)則的完備性，即對于任何模糊輸入狀態(tài)，都必須產(chǎn)生一個模糊控制器的輸出，又要保證模糊規(guī)則的相容性問題，即模糊規(guī)則之間不能得到相互矛盾的結(jié)論。解決這兩個問題，往往需要一定工程經(jīng)驗積累和試驗數(shù)據(jù)。 設(shè)計模糊控制器需要選擇合適的關(guān)系生成方法和推理合成算法，模糊推理算法與模糊規(guī)則直接相關(guān)。它的復雜性依賴于模糊規(guī)則語句中的模糊集的隸屬函數(shù)的確定。選擇一些簡單的又能反映模糊推理結(jié)果的隸屬函數(shù)可以大大簡化模糊推理的計算過程。通常三角形隸屬函數(shù)、高斯隸屬函數(shù)和梯形隸屬函數(shù)是使用最多的隸屬函數(shù)。 減搖鰭電伺服系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計由于電機往往要受到不同程度的負載擾動和鰭角給定的不確定性，使得電機在的輸入、輸出值會突然的增加和減小，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標準PID控制器和一個Fuzzy自調(diào)整機構(gòu)組成。根據(jù)輸入信號的大小、方向以及變化趨勢等特征，通過Fuzzy推理作出相應(yīng)決策，在線調(diào)整PID控制器參數(shù)，我們將其應(yīng)用到伺服系統(tǒng)中的位置環(huán)，在線調(diào)節(jié)位置環(huán)的比例系數(shù)P。其控制結(jié)構(gòu)圖如圖3. 2所示。 自調(diào)整模糊PID控制圖中為系統(tǒng)的設(shè)定值，即角度給定值；取狀態(tài)變量：，則，為系統(tǒng)偏差與偏差變化率；，為模糊量化處理后，偏差與偏差變化率形成的模糊量；為經(jīng)模糊判決得到模糊控制器輸出控制變化量。經(jīng)調(diào)整的位置環(huán)控制器的比例系數(shù)為：(31) 式中：、分別為設(shè)置的最大、最小比例系數(shù)。 根據(jù)模糊控制器的結(jié)構(gòu)，模糊控制的基本過程主要分為三個部分： ，即把精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)； ，根據(jù)有經(jīng)驗的操作者或者專家的經(jīng)驗制定出模糊控制規(guī)則，并進行模糊邏輯推理，以得到一個模糊輸出集合，即一個新的模糊隸屬函數(shù)； ，根據(jù)模糊邏輯推理得到的模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找到一個具有代表性的精確值作為控制量。 精確輸入量的模糊化在模糊控制中，輸入、輸出變量的大小是以語言形式來描述的，因此要選擇描述這些變量的詞匯，一般選用“大、中、小”三個詞匯來描述控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，再加上正、負兩個方向和零，共有七個詞匯： {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大} 一般用英語詞頭縮寫為： {NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB} 通?？刂葡到y(tǒng)總是用實際輸出值與設(shè)定期望值相比較，得到一個偏差，控制器根據(jù)這個偏差來決定如何對系統(tǒng)加以調(diào)整控制，很多情況下還需要根據(jù)偏差的變化率來進行綜合判斷。一記偏差的基本論域為卜xe， xe]，偏差變化率的基本論域為[xc， xc]，模糊控制器的輸出變量的基本論域為[Yu} Yu]顯然基本論域內(nèi)的量是精確量，但是模糊控制算法需要模糊量，因此輸入的精確量需要轉(zhuǎn)換為模糊量，而模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)換為精確控