第４２卷第２期 船海工程 ＳＨＩＰ＆０ＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１３ ２０１３年ｏ４月 ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７９５３．２０１３．０２．０１６ 模糊控制在船舶航速仿真系统中的应用 刘西全 （青岛港湾职业技术学院，山东青岛２６６４０４） 摘要：利用Ｍａｔｌａｂ建立船舶推进系统的仿真模型，采用传统的ＰＩＤ算法，并利用Ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ工具箱对 ＰＩＤ参数进行优化，对某船航速控制系统进行仿真分析。为反映船舶真实营运情况，分别对船舶在无干扰、加 入５％、１０％及２０％干扰情况下的航速及螺旋桨转速等参数进行仿真分析。仿真结果显示此智能方法优化 ＰＩＤ参数用在船舶航速控制系统仿真上是完全可行的。 关键词：模糊控制；船舶；航速；仿真 中图分类号：Ｕ６６２．９；ＴＰ２７３．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－７９５３（２０１３）０２－００５１－０４ 船舶航速的变化，归根结底是船舶主机的转 速变化，船往往是浮在水面或潜在水中并活动于 不同地区，在任何时刻，它都受到风浪、水浪等环 境的直接影响，要求用人工来保持航速不变，这是 不容易做到并做不好的。为此，建立船舶推进系 统的仿真模型，利用Ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ工具箱对ＰＩＤ参 数进行优化，采用Ｍａｔｌａｂ软件对某护卫舰航速控 误差Ｅ的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到 误差Ｅ的模糊语言集合的一个子集口（ｅ是一个 模糊矢量），再由ｅ和模糊控制规则Ｒ（模糊算 子）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模 糊控制量／Ｚ。 Ｍ＝ｅＲ １．２模糊ＰＩＤ控制 制系统进行仿真分析。 １．２．１模糊自适应整定ＰＩＤ控制原理 １ 模糊自适应ＰＩＤ控制系统 １．１模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理见图１。 自适应模糊ＰＩＤ控制器以误差ｅ和误差变化 ｅｃ作为输入量，可以满足不同时刻的ｅ和ｅｃ对 ＰＩＤ参数自整定的要求。利用模糊ｇ－：＇Ｎ规则在线 对ＰＩＤ参数进行修改，便构成了自适应模糊ＰＩＤ 控制器，从而使被控对象有良好的动、静态性能。 ……覆 丽 ｊ…一 模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技 术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得 到针对ｋ ｋｉ、ｋ 三个参数分别整定的模糊控制表。 图１模糊控制原理 ｉ、 的模糊控制规则表建立后，根据如 ＝ 下方法进行ｋ。、ｋｊ、ｋ 的自适应校正。 其核心部分为模糊控制器，如图中点划线框 ｐｐ＋ ，ｅｃ ｝ｐ （１） 中所示。模糊控制器的控制规律由计算机的程序 实现。实现模糊控制算法的过程描述如下。 计算机经中断采样获取被控制量的精确值， 然后将此量与给定值比较得到误差信号Ｅ，一般 选误差信号Ｅ作为模糊控制器的一个输入量。 把误差信号Ｅ的精确量进行模糊化变成模糊量。 收稿日期：２０１２—０３—２１ ｉ＝ｋ ｉ＋｛ｅ ，ｅｃ ｝ｉ ｋｄ＝ ｄ＋｛ｅ ，ｅｃ ｝ｄ 模糊自整定ＰＩＤ参数控制系统结构主要由参 数可调整ＰＩＤ和模糊控制系统两部分组成，结构 见图２。参数可调整ＰＩＤ完成对系统的控制，模 糊控制系统实现对ＰＩＤ三个参数进行自动校正。 修回日期：２０１２—０５—２３ 第一作者简介：刘西全（１９７９一），男，硕士，讲师 研究方向：轮机工程 Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｒｅｅ６９２＠１６３．ｃｏｍ 图２自适应模糊ＰＩＤ控制系统结构 ５１ 第２期 船海工程 第４２卷 １．２．２模糊控制器的设计 ——柴油机时间常数，ｓ； 采用二维模糊控制器＿１ Ｊ，输人为柴油机转速 偏差Ｅ及其导数ＥＣ，其模糊词集和论域皆为 ｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，Ｐ ，ＰＢ｝，（一１００，１００）。 输出为 、Ｋ、 ，其模糊词集均为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ， ｒ——齿条位移的纯滞后时间，ｓ。 将上式拉氏变换可得非增压柴油机的简化传 递函数 ２ ：—Ｌ ５＋１ ｆ３、 ＺＯ，ＰＳ，删，Ｐ ｝，根据Ｚｉｅｇｌｅｒ—Ｎｉｃｈｏｌｓ算法，初步 算得本仿真机型的控制器参数为Ｋ。＝９．８０７，Ｋｉ ｅ一 日（ｓ）一以（ｓ） 式中：Ｙ（ｓ）——对Ｙ（ｔ）进行拉氏变换的结果； Ｈ（ｓ）——叼（ｔ）的拉氏变换； 以（ｓ）——Ａ（ｔ）的拉氏变换。 ２１．２１８ １， ：１．０８７ ６。故其论域分别设为 （一１２，１２）、（一２５，２５）和（一３，３）。模糊逻辑控 ＝制器见图３。 为简单起见，设扰动Ａ（ｔ）＝０，于是得到简化 的柴油机模型，即可用一阶惯性延迟环节来近似 代替原柴油机模型。简化后的柴油机传递函数为 日（ｓ） 由于 于是 图３模糊逻辑控制器 ＝ １ ｓ＋ ㈩ （５） （６） ｅ～ １ 查取文献［３］并计算得Ｔｏ＝１．２８ Ｓ， ＝ ０．１９ Ｓ，其传递函数为 Ｈ（Ｓ）一０．２４３ ＋１．４７ｓ＋１ （７） ２柴油机数学模型建立 柴油机转速控制系统见图４。由于全工况的 柴油机建模比较困难，本文对柴油机模型作了简 化，考虑延迟并经线性化处理后，可作为一阶惯性 延迟环节。柴油机电子调速系统中的执行器采用 ２．２执行器模型 执行机构为可逆的直流伺服电机，一般采用 环形电枢直流伺服电机，可认为是一个标准的二 阶环节，见图５。 环形电枢直流伺服电机，可认为是一个标准的二 阶环节。加上ＰＩＤ控制器，则可组成一完整的柴 Ｉ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。． ．．．．．． ．＿＿Ｊ 圜 油机调速模型，可用于对柴油机动态过程的仿真， 并通过仿真来研究该模型的合理性和准确性。 图５执行环节 整个执行环节的传递函数为 Ｈ （ｓ）一ｓ ＋２ ｄ ｓ＋ （８） 图４柴油机转速控制系统结构 式中：日 （ｓ）——给定齿条位移叼 （ｔ）的拉氏变 换； ２．１柴油机模型 非增压柴油机的运动可用以下方程描述 ］。 ——日（ｓ）——齿条位移卵（ｔ）的拉氏变换； 执行机构的无阻尼自然振荡角频 率，ｒａｄ／ｓ； ——州 ｎ（ｔ－ｒ）州 ）（２） 式中：ｙ（ｔ）——柴油机转速，是时间ｔ的函数（无 因次量）； 执行机构的阻尼因子。 在工程设计中常取 ＝０．４—０．８。在这个取 叼（ｔ）——控制供油量的齿条位置，是时间ｔ 的函数（无因次量）； Ａ（ｔ）——扰动，是时间ｔ的函数（无因次 量）； ５２ 值范围内可使调整时间ｔ 达到较小，而最大超调 量和上升时间又不太大。由文献［４］可知，当 ＝０．７０７时称为最佳阻尼比。为使执行环节具有 较好的动态响应特性，取 ｄ＝０．７０７， ｄ＝３５．４， 模糊控制在船舶航速仿真系统中的应用——刘西全 其传递函数为 ａｎ（Ｄ －Ｕｐ ａｎ （１３） 盟（ｓ）一ｓ ＋５０ｓ＋１一 箜 ２５０ （９） 式中：Ｒ＝￣／ ＋凡２ Ｄ ； ３ 螺旋桨子模型（含船体）建立 ｐ——水的密度； Ｃｔ＝ｋｔｃｏｓ ，Ｃ。＝ｋｑｃ０ｓ 。 主机直接传动或通过传动装置带动螺旋桨， 以上算出的 是螺旋桨的敞水推力。螺旋 后者发生推力。推力通过推力轴承作用在船体上 桨工作于船体后面，由于船体的影响，实际使船加 推动船舶运动。所以船桨系统中包括推进装置的 速的推力 比 小。可写成ｒｏ＝Ｔｐ（１一ｔ），ｔ为 旋转部分和船的直线运动两个惯性体系（分别称 推力减额系数。 为转动和平动系统） Ｊ。 在作船舶设计时都要用到此系数，但通常都 螺旋桨在敞水中的推力为 作为常数。 Ｔｐ＝ ｔｐｎ Ｄ （１０） 图６是螺旋桨（含船体）的子模型图。 螺旋桨上的水阻力矩为 Ｍ。＝ｋｑｐｎ Ｄ （１１） 螺旋桨的桨叶，除本身以ｎ 转动外，还要跟 船一起作轴向运动。螺旋桨相对于水的轴向前进 速度称为桨的进速 ，进速系数为．，＝ 。 通常用推力系数ｋ 和转矩系数ｋ。计算敞水 推力和螺旋桨转矩。但由于这两个系数都是进速 系数‘，的函数，又都只有实验数据而无计算式。 由于船舶制动是利用螺旋桨反转实现的，所以正 速 反转对应于不同的ｋ。、ｋ 曲线。此曲线自变量．， 的定义域为一∞到＋。。，曲线两端的ｋ 、ｋ。值（绝 对值）也很大，这些都将给建模带来麻烦。为此， 引入一个自变量 ，且 在定义域内的取值是有 图６螺旋桨子模型（含船体） 限的。这样，船舶的敞水推力和螺旋桨转矩方程 可改写为 ４船舶航速控制系统模型建立 Ｍ。＝ＣｑｐＤ Ｒ （１２） Ｍａｔｌａｂ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下 ，某船推进装置模 型的总仿真框图见图７。 控制器 图７船舶推进系统模型 ５３ 第２期 船海工程 第４２卷 仿真船舶为排水量１ ５００ ｔ，船长９２．０４ ｍ，船 宽１０．８３ ｍ，吃水３．１８ ｍ。方形系数Ｃｂ＝０．４６， Ｚ ＿＿ 棱形系数Ｃ。＝０．６２，中横剖面系数Ｃ ＝０．７５，盘 面比Ａ ／Ａ。＝０．７０，叶数ｚ＝４，桨数ｍ＝１。 船用主机为１２Ｅ３９０Ｖ。缸径３９０ ｍｌＴｌ；行程为 ４１０ ｆｉｌｍ；标定功率５ ２９２ ｋＷ、转速为４８０ ｒ／ｍｉｎ。 应用上述仿真模型，对航速２４～２５ ｋｎ的情况进 行仿真。为模拟实际情况，仿真中分别对无干扰、 附加５％、１０％及２０％干扰情况作仿真。仿真结 果分别见图８、图９。 ２５ ５ 口２ Ｚ ＿＿ 时间／ｓ ｂ）附加５％干扰 ５ ５ ５．０ 考４ ５ ４ Ｏ ≈ ， ３ ５ ３．０ ２ ， …～．厂 ｌ二篓京靛蘧 ５０ １００ ２、５ ０ ５Ｏ １ＯＯ ——设定航速 实际航速 ２ 时间，ｓ ｄ）附加２Ｏ％干扰 ２３ ５ ０ 图９螺旋桨推力和船舶阻力仿真 时间／ｓ ｂ 附加５％干扰 的。实际中若能根据经验对控制器参数反复进行 优化、试验，相信控制效果会得到明显改善。 参考文献 ［１］候北平，卢时间／ｓ ｃ）附加１０％干扰 佩．Ｍａｔｌａｂ下模糊控制器的设计与应用 ［Ｊ］．测控技术，２００１，２０（１０）：４０４２． ［２］赵国光，黄刘琦．船舶动力装置自动化［Ｍ］．北京：国 防工业出版社，１９８６． 图８船舶航速仿真 ［３］陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用［Ｍ］．北京：机械工业 ５ 结论 在船舶航速控制系统中，采用模糊控制优化 ＰＩＤ参数，使得柴油机发出的转矩与船舶螺旋桨 吸收的转矩能够较好地吻合，同时船舶航速能够 在较小的超调范围内相对较快地达到设定的航速 出版社，１９９８． ［４］刘金琨．先进ＰＩＤ控制及其Ｍａｔｌａｂ仿真［Ｍ］．北京： 电子工业出版社，２００３． ［５］Ｍａｔｌａｂ语言与自动控制系统设计［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，１９９７． ［６］邵家骧．发动机转速自动控制［Ｍ］．北京：人民交通 出版社，１９９０． 值。充分表明此种算法在实际运用中是可行性 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｓｐｅｅｄ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵ Ｘｉ－ｑｕａｒｔ （Ｑｉｎｇｄａｏ Ｈａｒｂｏｕｒ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃｌａ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６４０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｍａｒｉｎｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｍａｔｌａｂ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｓｈｉｐ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ Ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ ｔｏｏｌｂｏｘ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ＰＩＤ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｓｐｅｅｄ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｎｏ ｉｎｔｅｒｆｅｒ— ｅｎｃｅ．ｗｉｔｈ ５％．１０％ａｎｄ ２０％ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｌｅａ－ ｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｈｉｐ；ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｐｅｅｄ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ