海上救援机器人形态于控制系统设计25678.docx

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1、基于双螺旋桨差动调节的双体船航向智能控制研究刘杨 王开宇 (哈尔滨工程大学自动化学院，邮编：150001)摘要：设计了基基于双螺旋桨桨差动调节的的双体船航向向智能控制系系统，通过系系统辨别得到到船舶航向运运动的数学模模型，并在该该模型的基础础上运用模糊糊控制算法，最最后将得到的的参数赋予双双螺旋桨，同时通过双螺螺旋桨转速的的差动控制，可可以达到控制制船舶艏摇运运动。在系统统运行过程中中，不断检测测航向角偏差差的差值，若若该值超出设设定范围，则则重新辨别模模型，优化参参数。对系统统进行仿真，仿仿真结果表明明，与基于单单纯形法优化化的PID控控制系统相比比，该系统对对于海情的变变化具有较好好的自适

2、应能能力。该系统统简单易于实实现，具有工工程应用价值值。关键词：双螺旋旋桨推进；航向保持；模模糊控制Abstracct: Thhe inttelliggent ccontrool of catammaran basedd on tthe diiffereentiall conttrol tto douuble ppropelllers is dessignedd. Thee cataamarann dynaamic mmodel was aacquirred byy systtem iddentifficatiion. TThe allgoritthm off fuzzzy conntrol

3、was pperforrmed, and tthe paarametters wwere ggiven to thhe douuble ppropelllers, the diffeerentiial coontroll to ddoublee proppellerrs is propoosed tto forrm yawwing ccontrool momment tto conntrol the ccatamaaran ccoursee. Wheen thee systtem raan, thhe staandardd deviiationn of yyaw-anngel eerror w

4、as ccalcullated. If tthe vaalue oof staandardd deviiationn overrsteppped thhe enaacted boundd, thee dynaamic mmodel shoulld be identtifiedd, andd the PID ooptimiized bby simmplex methood, thhis syystem had ggood aadaptiive abbilityy for the vvarietty of oceann condditionn. Thiis sysstem iis simmple

5、aand feeasiblle, annd it has tthe enngineeering appliicatioon vallue. Key worrds: propuulsionn withh doubble prropelllers; coursse keeeping; fuzzyy conttrol引言近年来，双体船船由于良好的的操纵性，阻阻力峰不明显显、装载量大大等特点在当当今船舶行业业得到了广泛的关注。本文文根据某型双体船采采用双螺旋桨桨作为其动力力系统，提出出一种基于双双螺旋桨差动动调节的双体体船航向智能能控制方法。通通过引入航向向误差检测环环节、系统辨辨别环节和模模糊控制，

6、是是双体船航向向保持自适应应的状态。仿仿真结果表明明，本文所设设计的双螺旋旋桨差动调节节航向智能控控制系统控制制效果良好，对对海情的变化化具有较好的的适应能力。 1 双体船航航向运动非线性模型对于在水面内运运动的双体船船，当在预定定的航线上做做小偏差运动动时，纵向与与横向运动耦耦合作用不大大，可认为其其纵向运动与与横向运动相互独立立，其横荡和首摇摇运动模型如如式所示： 其中和风别为海海浪、海风及及海流等扰动动形成的干扰扰力和干扰力力矩；为双体体船面绕轴的转动动惯量；为偏航首摇角角度；为横荡速度；双体船质量量。 考虑到到本论文讨论论的是一种基基于双螺旋桨桨的航向差动控制制，这里对上上述模型式(1

7、)进行了了进一步的简简化处理，将将由舵角产生生的控制力和和控制力矩改改为由双螺旋旋桨差动形成成的控制力和和控制力矩代代替；另外考考虑在静水条条件下，忽略略海浪、海风风和海流产生生的扰动力、扰扰动力矩。则则式(1)可描述述为：(1)其中分别为双螺螺旋桨转速差差异引起的横横荡力、首摇摇力矩系数。为双螺旋桨的转速差值。关于水动力系数的估算方法参见文献1,海浪干扰力（力矩）的计算参见文献2。2双螺旋桨动动力学模型由于双体船宽度度比一般船舶舶要宽，吃水水也较一般船船舶浅，所以以根据它的特特点，采用了了双螺旋桨推推进系统。螺螺旋桨的动力力学特性可用用式(2) 、(3)表表示。 (22) (33)式中：为水

8、的密密度；D为螺旋桨桨径径；为螺旋桨阻力力系数；为螺旋桨推力力系数；为螺旋桨转速速。考虑两个螺旋桨桨，若两螺旋旋桨转速不同同，则两个螺螺旋桨的推力力不同，从而而能够进行船船体航向的调调整，其产生生的推力与航航速的关系如如下： (4) (55)则相对艏摇，两两螺旋桨形成成的控制双体体船航向的控控制力矩有如如下关系： (6) (7) 式中：为船的速速度；为两螺螺旋桨产生艏艏摇力矩对应应的力臂；为为螺旋桨1产产生的推力；为螺旋桨22产生的推力力。3控制系统设设计双体船航向智能能控制系统如如图1所示。两个螺螺旋桨是两个个相互独立的的控制机构，双螺旋桨分配单元包含双螺旋桨智能优化分配规则。在系统运行过程

9、中，模糊控制器计算出所需的扶正力矩值，双螺旋桨分配单元根据该值实时的计算出所需的两个螺旋桨的转速。图1双体船航航向智能控制制系统框图(1) 定义输入输出变变量 本文设设计双体船航航向模糊控制制器，根据自自动舵的工作作原理，通过过传感器测量量可以得到船船舶的航向角角，因此可以以选择航向角角偏差作为模模糊控制器的的输入。另外外，为了反映映偏差的变化化趋势，模糊糊控制器的输输入还应加上上航向角偏差差的变化率。模模糊控制器的的输出为双螺螺旋桨所需的的扶正力矩值值。如图2所示，代表航航向角误差，代表航向角误差变化率，代表控制器的输出量，、为量化因子，为比例因子。图2 模糊控制制器输入输出出示意图 (2)

10、 输入入输出变量的的模糊化对模糊控制器的的输入和输出出进行模糊化化处理，选择择输入输出变变量的模糊子子集为：其中NB,NMM,NS,NNZ,ZE,PZ,PSS,PM,PPB分别代表表负大、负中中、负小、负负零、零、正正零、正小、正正中、正大。偏偏差的模糊子子集选取八个个元素，区分分了NZ和PZ，主要是是为了提高系系统的稳态精精度。对于本文所设计计的双体船航向控控制系统而言言，考虑到海海情变化范围围为35级，故设定定航向角偏差差的基本论域域为：，航向向偏差变化率率的基本论域域为。由于模模糊控制器的的输出代表为为双螺旋桨上的的扶正力矩值值，因此输出出量的基本论论域为。本文将模糊控制制器的输入量量的

11、基本论域域设定为量化化论域，因此此量化因子和和的取值为1。对于输出出量来说，它它的基本论域域为扶正力矩矩值的取值范范围，由于该该范围太大，因因此本文设定定其量化论域域为。本文采采用的襟翼舵舵的最大升力力系数值为11.5，因此此输出量的量量化论域为。此此时，比例因因子的取值为为。由于高斯性隶属属函数的平滑滑性较好，概概念较精确，所所以本文中的的模糊隶属函函数均采用高高斯型函数（如如图3-5）。图3 航向角偏偏差的隶属度度函数曲线图4 航向角偏偏差变化率的的隶属度函数数曲线图5 控制量的的隶属度函数数曲线4系统仿真及及结果分析为了检验本文所所设计的智能能控制系统是是否可以有效效地提高航向向控制效果

12、、节节约系统能耗耗，本章对系系统进行仿真真。本文所用用船舶的主要要参数为：排排水量为23379t，水水线长为577.58m，水线面积积175.887，下潜体体半径2.2286m，支支柱长度577.58m，浮浮心到重心的的垂向距离44.63 mm, 支柱最最大厚度2.03 m，纵纵稳心高8.44 m，下下潜体长度773.06 m，潜体浮浮心距离主体体首端35.2 m，船船体吃水7.62 m，纵纵摇惯性半径径15.888 m，设计计航速为188Kn。图6航向保持持模糊控制系系统仿真曲线线图7航向保持持单纯形PIDD控制系统仿真真曲线为了进行有效的的对比，本文文还对该双体体船在相同海海情下的由单单纯

13、形法优化化的航向保持持PID控制系系统进行了仿真。从仿真真结果来看，当当海清发生变变化时，由单单纯形法优化化的航向保持持PID控制的效果明明显变差，且且舵角幅度变变大，增大了了能耗。而本本文设计的模模糊控制系统统在重新辨别别模型、优化化参数后能较较好的适应海海情的变化，取取得良好的控控制效果。这这主要是由于于模糊控制算算法具有较强强的全局寻优优能力，而单单纯形法对参参数初值的选选取十分敏感感，极易陷入入局部最优，导导致寻优失败败。5结论本文设计了基于于双螺旋桨差差动调节的双双体船航向智智能控制系统统，首先通过过航向偏差检检测环节判断断海情是否发发生变化，若若海情发生变变化，则通过过系统识别环环

14、节得到船舶舶航向运动的的数学模型，并并在该模型的的基础上运用用模糊控制算算法，最后将将得到的参数数赋予实际的的航向保持系系统。仿真结结果表明，与与基于单纯形形法优化的PPID控制系系统相比，该该系统对于海海情的变化具具有较好的自自适应能力。该该系统简单易易于实现，具具有工程应用用价值。参考文献：1S Innoue. Hydroodynammic Deerivattives of Shhip Maaneuveering Motioon at Heeleed Connditioon R. Technnical Reporrt, Jaapan: Technnical Commiittee of th

15、he Wesst-Jappan Soocietyy of NNaval Archiitect,1979. 2于萍，刘刘胜。基于设设计法的非线线性舵鳍联合合控制系统设设计仿真研究究J.系系统仿真学报报，20022，14（88）：10441-10442.（YUU Pingg, LIUU Shenng. Siimulattion oon Nonnlineaar Ruddder/FFin Jooint CControol Bassed onn Conttrol TTheoryyJ.JJournaal of Systeem Simmulatiion.20002,144(8):11041-11042. ）3赵国良,席志红.船船舶航向控制系统统的研究.4周岗,姚姚琼荟等.船船舶直线航向向控制系统全全局渐进稳定定的充分条件件.海军工程程大学学报.Vol.118,No.3,Junn.20066.p52-56.5王仁康，吴吴静萍，毛筱筱菲，罗薇.双体船摇摆摆运动的实验验研究.船海海工程.20003.