模糊控制在船舶智能控制中的应用

摘要:

为解决船舶航行过程中的横向运动控制问题，本文提出一种基于闭环增益成形算法和T－S模糊算法的新方法。其中T－S模糊优化算法用来计算滚转和偏航的加权系数，并结合闭环增益成形算法，设计了鲁棒PID控制器对横摆和偏航进行控制，并将其组合成横向控制器。仿真结果表明，该控制器具有较强的鲁棒性和自适应能力，对船舶横向运动控制以及转向器的损失可以通过一个合理的加权系数来降低。本文提出的方法对船舶横向运动控制提供了一种新的理论，为实际工程中的应用提供了理论基础。

关键词:

模糊控制;滚转与横向运动;船舶控制

船舶横向控制主要包括滚转和偏航控制。一般而言，转向仅用于控制偏航，但转向不仅可以产生航向变化，而且还可以在高速的情况下使船舶同时产生滚转。由于船舶的滚转力矩可以由舵控制，因此，舵作为一种稳定器可行，并且使用船舵稳定技术减少船舶的滚转幅度，已经得到了较为广泛的应用。舵减摇技术首先由Cowley和Lamber在1972年提出，通过研究他们发现船舶的滚转由船舵和海面的波干扰共同决定，并且能够通过船舵的操作，有效减少船舶的滚转幅度［1］。目前，很多控制方法已被应用于舵减摇技术，如神经网络控制方法、PID控制方法［2－4］、自适应控制等［5］，但是这些方法通常非常复杂且并未考虑到转向损失的问题，为解决这一问题，本文提出一种基于闭环增益成形算法和模糊优化算法的新型控制方法。闭环增益成形算法由于其简单易实现的特点，被广泛应用于多个工业领域，其根据理想形状的灵敏度函数和闭环频率谱确定4个主要参数:最大奇异值、带宽频率、高频渐近线的峰值和斜率，并依据这4个参数构建鲁棒控制器。由于通过单独使用鲁棒PID控制器即可减少转向损失，因此模糊优化算法被用来优化加权系数。最终，仿真结果显示通过使用本文提出的算法，船舶的滚转能够最多减少55%，使用模糊优化算法能够减少40%的转向损失，且同时能够有效减少对于船舶偏航的负面影响。

1线性船舶模型

1.1船舶模型线性船舶模型如图1所示。根据以上的方程及文献［1］中给出的船舶参数，可得。

1.2船舵模型船舶转向机是一类很高的非线性系统，它存在着机械系统的饱和问题。该型号的转向机如图1所示。

1.3波浪模型船舶的移动由船舵和环境扰动共同决定，对于波浪扰动的建模，一般使用P－M谱或ITTC多谱，但在利用船舵减少滚转时，仅高频滚动可以被减小，因此，本文仅考虑一阶波浪扰动。

2优化算法

2.1闭环增益成形算法船舵的控制可分为:，闭环系统的带宽频率设定1/T1，闭环传递函数的频谱的高频渐近线斜率设置为－20dB/dec，则惩罚灵敏度函数的奇异值曲线近似为一阶惯性系统。因此，闭环增益整形算法的表达式。

2.2T－S模糊优化算法基于模糊优化算法和闭环增益成形算法的系统结构如图2所示。

3结语

为了解决船舶在航行过程中的横向移动控制问题，本文设计了一种闭环增益成形算法，结合模糊优化算法，有效地提高了船舶移动过程中的稳定性。实验结果证明，通过模糊优化算法，能够有效减少42.38%的转向损失，证明本文提出的算法具有较高的可行性和有效性。

参考文献:

［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］冯宏伟，何祖军，杨奕飞．基于模糊层次评价法的动力定位系统综合评价［J］．舰船科学技术，2015，37(2):112－118．

［5］杜德银，杨代强．船舶控制系统中复合误差控制算法［J］．舰船科学技术，2015，37(1):78－94．

作者：任云烨 单位：南通航运职业技术学院 航海系