本科毕业论文---马达驱动全航速减摇鳍动力系统及其控制器设计.doc

哈尔滨工程大学学士学位论文摘 要传统的减摇鳍伺服系统一直是电液伺服系统，但由于其存在着价格高、体积大、密封器件易老化、漏油、维护不方便等缺点；90年代以后，随着电力电子技术和微控制技术的迅猛发展，交流伺服广泛的应用于工业、国防等各个领域，在相当广的范围内取代了液压伺服系统。时至今日，已经成为伺服系统的主流趋势。交流伺服系统具有结构简单、控制方便、价格低且可靠性高等特点，它的研究开发将促进减摇鳍在一些中小型船舶中的应用。本文对减摇鳍的负载和电机转动力矩进行了估算，依据减摇鳍特性和设计指标的要求，以异步电机矢量控制技术为理论基础，设计了电流环、速度环、位置环三闭环减摇鳍电伺服控制系统。针对减摇鳍电伺服系统中PID控制器参数固定，不能在线修正，对复杂海情适应性差等缺点，研究讨论了自调整模糊控制器，对位置环控制器的比例因子进行在线修整。分别以传统的电液伺服系统和矢量控制电伺服系统以及加入模糊控制器改进后的电伺服系统作为随动系统，对船舶减摇鳍控制系统进行仿真，最后对仿真结果进行了统计。关键词：减摇鳍；矢量控制；模糊控制；伺服系统；船舶横摇AbstractTraditional anti-rolling fin servo system has been the electro-hydraulic servo system, but exist due to its high price, volume, sealing device is easy to aging, the oil, it is not convenient to maintenance shortcomings; Since the 90s, the rapid development of power electronics technology and control technology, ac servo is widely used in industry, national defense and other fields, in quite a wide range to replace the hydraulic servo system. Today, has become a mainstream trend of servo system. Ac servo system has a simple structure, convenient control, low price and high reliability etc, it will promote the research and development anti-rolling fin application in some small and medium-sized ships. In this paper, the stabilizing fin of the load and the motor rotational torque estimation, based on features of anti-rolling fin and the requirements of design index, based on the theory of asynchronous motor vector control technology, the design of the current loop, speed loop and position loop, three closed-loop anti-rolling fin electric servo control system. For anti-rolling fin PID controller parameters in electric servo system is fixed, not online correction, feeling poor adaptability to complex sea shortcomings, the research discusses the self-tuning fuzzy controller, the scaling factor of the position loop controller on-line modification. Respectively in the traditional electro-hydraulic servo system and the vector control electric servo system and join the improved fuzzy controller as a servo system, electrical servo system of the ship anti-rolling fin control system, simulation finally has carried on the statistics to the simulation results. Key words: anti-rolling fin; Vector control; Fuzzy control; Servo system; The ship roll 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的背景及研究意义11.2 减摇装置21.3 国内外的发展现状51.4 减摇鳍控制系统研究发展现状61.5 论文主要研究内容7第2章 减摇鳍的工作原理82.1 减摇鳍的系统结构82.2 减摇鳍系统的减摇原理82.2.1 中高航速减摇鳍的工作原理92.2.2 零低航速减摇鳍的工作原理112.3 零低航速减摇鳍的工作方式122.3.1 基于单翼横向拍动的零低航速减摇鳍122.3.2 基于单翼纵向拍动的零低航速减摇鳍132.3.4 两种类型零低航速减摇鳍优缺点142.4 本章小结14第3章 减摇鳍动力系统电伺服系统模糊控制153.1 模糊控制器153.2 减摇鳍电伺服系统的模糊控制器设计173.2.1 精确输入量的模糊化183.2.2 模糊控制规则的建立和模糊推理203.2.3 精确输出量的解模糊判决223.2.4 模糊控制的仿真233.3 本章小结24第4章 船舶减摇鳍电驱动控制系统仿真254.1 海浪的仿真254.1.1 波能谱254.1.2 波能谱遭遇频率波能谱254.1.3 波高的数字仿真264.1.4 波倾角的数字仿真274.2 船舶横摇的仿真284.3 减摇鳍的仿真314.4 船舶减摇鳍控制系统仿真334.5 减摇效果统计344.6 本章小结35结 论36参考文献37致 谢39III第1章 绪论1.1 课题的背景及研究意义 船舶在停泊或航行过程中，受风、浪、流等扰动因素的影响，难免会产生各式各样的摇荡，在船舶六自由度摇荡中，横摇对船舶最为不利。当船舶横摇过于剧烈时，船上的货物、船员会受到安全性、舒适性方面的严峻挑战，武器装备的实用性也大大下降。随着国家对海洋开发愈来愈重视，特种工作船舶逐渐增加，像石油勘探船、化学品船、液化天然气船等需要在各种海况下完成平稳工作的任务。而随着中央军委要求海军由“黄水”向“蓝水”方向发展，这对海军舰艇在各种海况下的稳定性提出了更高的要求。船舶减摇装置越来越受到重视，人们发明了各式各样的减摇装置来减轻船舶的横摇，其中使用得最多而且减摇效果最好的主动减摇装置是减摇鳍。但是，普通的减摇鳍需要船舶有航行速度时才能产生足以抵抗横摇的升力，因此它只能工作在中高航速下。然而，现在很多特种船舶需要固定在某个点工作，有的船舶出于经济航行的需要，只要求工作在非常低的航速下，这样普通的减摇鳍就发挥不了它的减摇作用。目前，为了解决船舶在全航速下都能平稳安全的航行，一些船舶选择在船上安装两套不同的减摇装置：减摇水舱和减摇鳍。它们的做法是当船舶处于系泊状态或者低速航行时，让减摇水舱工作；而当船舶航行在中高速的时候，普通减摇鳍就发挥其主要减摇效用，减摇水舱则发挥次要作用。尽管如此，其减摇效果仍不是很理想，考虑到一艘船上安装两套减摇系统的成本过高，而且减摇水舱占用了船舶3 %-5%左右的排水量，这就浪费了船舶装载的空间。为了使船舶能在系泊状态、低航速和中高航速下都能保持平稳的工作状态，需要设计一套满足上述要求的减摇鳍，而且成本要在合理范围内并易于维护。因此全航速下的减摇鳍越来越受到人们的重视。 由于传统普通减摇鳍技术的发展相对来说己经很成熟了，因此船舶减摇鳍在系泊状态和低航速下如何能有效减摇是人们研究的重点。当前，国内有部分学者注重研究零航速下的减摇技术，而笔者认为没有绝对的零航速，零航速只是低航速下的一种特殊情况，系泊在海上的船舶受到涌浪的影响，也会有一个相对速度，相当于1-2节的船速。此外，如何在船速变化后，及时而灵活的调整零低和中高航速下减摇鳍的控制策略，这也是全航速下减摇鳍研究的一个关键问题。1.2 减摇装置（1）毗龙骨 毗龙骨的结构非常简单，就是一根长条状物体，通常沿着船体的纵向方向安装在船体的两侧，呈对称形式。如图1.1所示，其主要作用是：船舶发生横摇运动时，对船体周围的水流场进行干扰，这样就能增大船舶的横摇阻尼阻碍了船舶横摇的运动趋势，从而增强了船舶的耐波性，减轻了横摇。由此看来，毗龙骨的减摇效果不受船舶航速的限制，可以在全航速下进行减摇，然而其减摇效果有限，只有20%左右的减摇效果，但因其结构简单、造价低、维护起来方便，几乎不会占用船舶内部额外的空间，在船舶上得到了广泛的推广和应用。当前，绝大多数船舶都安装了毗龙骨，它己然是船舶船体上不可或缺的一部分。然而，般龙骨也有一个弊端，安装般龙骨使船舶在航行过程中的阻力增加，从而减少了船舶操作的灵活性。图1.1 船舶的毗龙骨（2）减摇水舱 减摇水舱也是能在全航速范围内使用的减摇装置，它的减摇效果不受船舶航速的影响，应用也较为普遍，一般用在海监船上。它一般安装在船体的中部或三分之一处位置，分布于船舶的两侧，按照其工作原理可划分为三大类：a.被动式减摇水舱 被动式水舱结构非常简单，成本很低，其工作原理为：当船舶发生横摇运动时，船体的倾斜使水舱中的水流由高侧一舷流向低侧一舷，当横摇到相反倾斜角度时水舱的水会回流，在此过程中形成了抑制横摇运动趋势的一个扶正力矩；但是被动式减摇水舱有一个致命的缺点，水舱内水流的回流频率和船舶的横摇频率相接近时才会有良好的减摇效果，这使得其工作频段非常窄，如果两者的频率相差太远，不仅起不到减摇的作用，反而会加剧船舶的横摇。b.可控被动式减摇水舱 鉴于被动式减摇水舱的上述弊端，经过改进后增加了一个控制连通部分水流的装置，变为可控的被动式减摇水舱，它通过控制水舱底部的连通部分的开口大小来控制水流量的大小，而从来避免增摇的发生，以此可以提升减摇水舱的实际减摇效能。c.主动式减摇水舱 主动式减摇水舱是在可控被动式减摇水舱的基础上增加了一个抽水设备，该设备能控制水舱两端的水流量大小也可改变其流动的方向。这样一来，当船舶发生横摇时，抽水设备快速的把水抽到抑制横摇的位置，因此减摇效果最好，而且减摇响应的滞后性也大大减小。但主动式减摇水舱的控制抽水装置结构很复杂，需要的驱动功率也很大，这就增加船舶的用电功耗，使成本大大上升，可用性变差。 尽管减摇水舱能在全航速下进行减摇，且有着结构较为简单，工程造价低，维护起来方便等优点，然而水舱占用船舶内大量的内部体积，而且其减摇效果也不是非常理想（最好能取得50%左右的减摇效果），使得其仅仅安装在了少数船舶上，例如海监船。 （3）舵 1970年，荷兰的两位工程师首次提出了可利用打舵方向来对抗船舶的横摇，即舵减摇技术。为了使舰载飞机能在航母、驱逐舰等大型水面舰船上平稳安全的起降，1975年美国的海军舰艇应用研究中心开始着手研究舵减摇的可行性，在历经4年的时间之后，开发出了一套舵减摇控制器，将舵减摇控制器安装到实船上并进行了海试，在保证船舶航向不至于大幅度偏离的情况下，实验取得了较为理想的减摇效果。通常，鉴于船舶舷摇周期在21-40秒之间，而其横摇周期在S-17秒之间，利用船舶脂摇和横摇之间的频率差别，两者对舵摆动响应的差别也会不同，控制好舵的摆动周期和摆角即可发挥出减摇的效能。如果舵控制器设计得当可以取得一半以上的减摇效果。然而，舵减摇也有其明显的不足之处，即只能依靠水流速度产生足够的减摇力矩，因此舵减摇装置只能应用在中高速航行的船舶。（4）传统减摇鳍 人们在观察鳖鱼、海龟、企鹅等游动的海洋生物时发现，即使在恶劣的海况下，它们也能够保持身体的平稳而不至于翻滚，它们能在水流中平稳游动的秘诀就是操控身体左右两侧的鳍。在此基础上，人们把鳍安装到了船舶上，当航行在大风浪的海上时，减摇鳍便能发挥出类似有鳍类生物的减摇作用。减摇鳍通常安装在船舶中间的两舷毗部，成对称形式，一般为一对或两对，剖面形状与飞机机翼类似。其减摇原理是：当船舶产生横摇时，通过控制减摇鳍的转动，将鳍打到某个合适的角度，水流经过鳍面上就会产生一个向上的升力，升力产生的扶正力矩来抵抗海浪扰动的横摇力矩，这样就能减轻船舶的横摇。然而，传统普通减摇鳍的结构复杂、造价比较高，且其减摇效果受船舶航速的限制，只有当船速较高时才能取得满意的减摇效果，在零低航速情况下，几乎发挥不了减摇的作用。所以，传统普通减摇鳍只能应用在中高速航行的船舶上，对于零低航速船则无能为力。 传统的普通减摇鳍应用也十分广泛，通常分为两大类，即固定式和可收放式。固定式减摇鳍如下图（a）所示，鳍面与鳍轴平行，只能绕鳍轴旋转，不能收回船体中，故而又称为不可收放式减摇鳍；它具有结构简单、质量轻、成本低等优点，然而它会增加船舶在零低航速下的航行阻力。可收放式减摇鳍结构如下图（b）所示，它的鳍面与鳍轴平行，也能绕鳍轴转动，整个鳍可以根据需要收回到船体中，通常为了提高减摇效果，可以通过增大鳍展弦比和增加鳍面面积，来提高鳍面上产生的升力，增大扶正力矩来抵抗横摇，进而提高减摇效果；与固定式减摇鳍相比，可收放式减摇鳍在零低航速和不需要减摇的情况下收回船体，这样就减小了船舶在航行中的行驶阻力，也可避免船舶靠泊时鳍会碰到硬物而发生损坏。图1.2 两类传统的普通减摇鳍 （5）零低航速减摇鳍 停泊在港口或者需要在很低的经济航速下工作的船舶，若有大风字良作用于船舶，其横摇运动反而比中高航速下更加剧烈。特别是当风浪的拍船周期与船舶的横摇周期相接近时，就会产生谐振，这使得船舶横摇运动尤为严重。因为一般的船舶其横摇周期为5-12秒，而海浪的周期为6-15秒，两者有重叠的范围，所以产生谐振的几率增大，这就是零低航速下船舶横摇更加严重的缘故。针对上述普通减摇鳍无法在零低航速下进行有效减摇的不足，人们开发出了能在零低航速下有效减摇的零低航速减摇鳍产品。它是靠急剧的拍动产生足够的升力来对抗船舶的横摇力矩，从而获得较好的减摇效果。1.3 国内外的发展现状（1）零低航速减摇鳍发展现状 1998年，由美国、荷兰和英国三家公司联合成立的VT Naiad Marine公司与荷兰的海事研究中心（Maritime Research Institute）合作，共同开发了以一套适用于零低航速下的减摇鳍装置，并将其安装在了一艘长度为71米的名为Boadicea号的大型游艇上并进行了实船测试，试验的结果表明：在停泊状态下安装了该减摇鳍的游艇与没安装之前的横摇程度有着显著的降低，这是世界船舶史上首次成功的应用零低航速减摇鳍产品的例子。自此以后，零低航速减摇鳍开始了蓬勃的发展，后来，VT Naiad Marine公司又陆续研发出了多种产品，如OnAnchor、ZeroSpeed、SATMD等适用于零低航速船舶的减摇鳍产品。对一艘按1：20模型建造的游艇进行水池试验，试验的结果表明该零低航速减摇鳍系统在0.5米的浪高下能达到78%的减摇效率，而在浪高为1米时也有66%的减摇效果。随后陆陆续续有很多船舶都安装了零低航速减摇鳍装置。图1.3 安装零低航速减摇鳍装置的游艇把视线拉回到我国，国内对零低航速减摇鳍的研究发展才刚刚开始，哈尔滨工程大学率先对零低航速减摇鳍展开了探索和研究，建立起了比较成熟的零低航速减摇鳍理论体系。金鸿章教授和纂志刚博士首先提出了采用双翼结构的零低航速减摇鳍。这种结构的减摇鳍具有较好的动态特性，可以在瞬间产生较大的升力。紧随其后，罗延明博士对双翼结构的零低航速减摇鳍进行工作原理的详细分析，对其产生的升力特性，鳍驱动机构进行了全面系统的论证。然而，由于结构复杂，工程上很难实现，当前还只停留在理论分析阶段，还无法投入实际应用。鉴于此种情况，张晓飞博士和金鸿章教授提出了一种单翼的零低航速减摇鳍，它在工程上易于实现，因此更具应用意义。张晓飞详细地分析了此种鳍的升力原理和水动力特性，建立起单翼纵向拍动零低航速减摇鳍的升力公式模型。王龙金博士对纵向拍动鳍的升力模型进一步补充和完善，建立了基于柏拉休斯定理的升力模型，应用CFD软件Fluent对所建立的升力模型进行了数值模拟。孟令卫运用实物平台，对零低航速减摇鳍的模型进行了升力和水动力特性的测量工作。由此可以看到，我国对零低航速减摇鳍的研究与国外相比还是有着非常大的差距，国内还只停留在理论研究阶段而国外早在多年前就已经投入实际应用。 （2）传统减摇鳍发展现状 1889年，英国人约翰桑尼克罗夫特取得了减摇鳍的发明专利，这是迄今为止关于减摇鳍最早历史记载。1923年，日本的元良信太郎设计世界上第一套减摇鳍装置，并将鳍成功的应用在了一艘内燃机船上。1935年，英国Brown Brother公司在一艘2200吨的大型海峡轮渡船上安装了减摇鳍装置，运营后表明，船舶的横摇运动降低较为明显。1985年英国的“玛丽皇后”号船舶在海上进行了恶劣海况下的减摇实验，结果表明减摇鳍取得了非常好的减摇效果。自此，传统减摇鳍开始蓬勃发展，大量的应用于海军舰船和大型邮轮等中高速船舶上。传统减摇鳍开始大放异彩，世界各国公司纷纷开发并推出了自己的减摇鳍装置，如英国的Rolls-Royee公司、Victric Muirhead公司，美国的Sperry Marine公司、VT NaiadMarin。公司和Q公司，德国的Simplex-Compact公司，日本走菱重工集团和韩国的Krosys公司等。我国的减摇鳍研究和应用虽然起步比较晚，从上世纪60年代开始研制，目前主要研究单位有中国船舶重工集团公司下辖的704研究所和哈尔滨工程大学，但在他们辛苦卓绝的探索和研究下，国内的传统减摇鳍设备发展越来越迅速和成熟，704所研制的减摇鳍产品己经广泛的应用于军船上，并向民用市场发展，还出口到了东南亚等国家。1.4 减摇鳍控制系统研究发展现状 目前，PID控制器仍是减摇鳍系统的主流控制器，因其结构简单，可靠性好，工程上实现起来容易而得到广泛的应用。在PID控制的基础上，刘忠伟提出将遗传算法应用于船舶减横摇PID控制中，通过遗传算法对PID控制器的参数进行整定，取得较好的减摇效果。李高云等人设计了一种GA-FC（基于遗传算法的模糊控制）来改善 PID控制器适应性差的问题，结果表明，GA-FC PID复合控制器具有更好的控制效果；叶瑰的等人通过采用模糊参数自整定PILL控制器，实现了系统特性变化与控制变量直接的非线性映射关系，有效地抑制了噪声干扰。但是，船舶在海上航行时，所遇到的海况是变化不定的，与实验中设计的有着很大不确定性。因此，虽然通过自整定得到的PID参数在实际中的控制效果往往不理想。 金鸿章、郭晨教授等人将智能控制应用到了传统减摇鳍的控制器中。王科俊提出的传统减摇鳍单神经元控制器克服了传统PID控制器适应性差的缺点，有较强的容错能力。李晖教授提出的传统减摇鳍逆模式小波神经网络自适应控制器增强了控制器的自适应能力，减摇效果更好。1.5 论文主要研究内容 传统中高航速减摇鳍的研究和应用已经十分成熟，本文重点研究的是零低航速减摇鳍升力模型以及全航速下减摇鳍的控制策略。文章主要从以下四个方面展开： （1）分析零低航速减摇鳍的减摇原理以及工作方式 零低航速减摇鳍的工作原理不同于传统中高航速鳍，它需要急速的拍动来产生足够的升力，这样才能够抵消横摇干扰力矩，而鳍的工作方式又分为横向和纵向拍动两种，鳍又分为单翼和双翼，最后综合考虑与中高速鳍的匹配度以及结构、工程实现和驱动功率，选择纵向拍动模式。（2）建立鳍的升力模型 鳍上产生的升力十分复杂，建立精确的升力模型对后续控制至关重要。利用流体力学的相关知识分别建立零低航速鳍的基于形状阻力和基于柏拉修斯定理的升力模型以及中高航速鳍的升力模型。 （3）建立鳍的物理模型，利用流体力学Fluent软件对鳍进行数值仿真 通过Gambit软件建立减摇鳍的二维网格模型，导入Fluent软件中采用动网格技术，分析鳍上的升力特性，为减摇鳍的增升提供基础。 （4）制定全航速下减摇鳍控制原则和策略，建立并仿真海浪干扰模型，最后进行全航速下减摇鳍的仿真研究 全航速分为零低和中高两个阶段，以6节航速为分界线，减摇鳍分别采用不同的工作方式来减摇，建立并仿真长峰波海浪，对两种工作模式的鳍都采用PID控制算法，仿真取得较好的减摇效果，表明全航速下减摇鳍控制系统理论上是可行的。第2章 减摇鳍的工作原理2.1 减摇鳍的系统结构 船舶减摇鳍电驱动控制系统主要由：异步电机交流伺服系统；减速器；减摇鳍；船舶横摇；海浪仿真和鳍角控制器等几个部分组成。在海浪有效波倾角与转化为有效波倾角的鳍角的共同作用下，通过船舶横摇模型可以知道船舶的横摇角度，根据船舶的横摇角度，我们可以通过控制器校正得到抵抗横摇所需要的扶正力矩，由鳍角给定值与扶正力矩两者之间存在转换系数（-船舶排水量；-船舶横稳心高；-鳍角到波倾角的转换系数）。可以得到异步电机交流伺服系统的鳍角给定值。通过异步电机交流伺服系统，使电机旋转相应的角度，电机输出角度经减速器减速，得到一定的减摇鳍转动角度，输出相应的力矩来抵消船舶横摇扰动力矩。该系统电路采用了SPWM电压型逆变器，转速采用转差频率控制，即异步电动机定子角频率由转子角频率和转差角频率组成。这样，在转速变化过程中，电动机的定子电流频率始终能跟随转子的实际转速同步升降，使转速的调节更为平滑。船舶减摇鳍电驱动控制系统结构原理图如图2.1所示。图2.1 船舶减摇鳍电驱动控制系统结构原理图2.2 减摇鳍系统的减摇原理 减摇鳍参照固定翼飞机的机翼来设计，它的鳍面形状类似小型飞机的机翼，每套减摇鳍系统装有两个大小完全相同的鳍，对称的安装在船两侧，由两舷伸出船体，安装在船舶吃水线以下，工作时鳍绕鳍轴转动。船舶在航行中受到水文环境的扰动产生横摇时，横摇传感器检测到船舶的横摇角，在减摇鳍控制系统的指令下驱动伺服机构，驱动两只鳍打到角度相同方向相反的角度，流过鳍上下表面的水使减摇鳍产生升力，从而产生一个扶正力矩来对抗横摇干扰力矩，从而减轻船舶横摇。 由船舶横摇模型可知：为惯性力矩，为船舶阻尼力矩，为船舶恢复力矩，-Dha，为海浪的扰动力矩。安装上减摇鳍装置后，由减摇鳍上的升力产生的扶正力矩（控制力矩）来对抗横摇干扰力矩，船舶横摇方程变为： (2-1) 若横摇干扰力矩与控制力矩正好大小相等，方向相反，则上式右边等于零，船舶横摇就会停止。减摇鳍的减摇原理是基于力矩对抗相抵消。2.2.1 中高航速减摇鳍的工作原理 常规减摇鳍是一种能在中高航速下有效减摇的装置。它由控制器部分，驱动减摇鳍的随动系统以及机械鳍三部分组成。 减摇鳍和小型机翼形状相似，升力的产生原理也都是依靠流速。普通的减摇鳍通常采用NACA标准翼型，置于水中的减摇鳍，当一定速度的水流流经打到某个角度的鳍面时，由于水流在鳍面上下表面存在一个距离差，由伯努利流体的连续性原理可知，它们经历的时间相同，而上下表面流体流速不相同。这样由于上下两个鳍面之间因为压差的存在，继而产生升力。 船舶以中高速航行时，角速度陀螺仪将检测到的船舶横摇信号经过放大处理传送到减摇鳍的控制器中。控制器对横摇信号进行运算后，按照一定的控制规律通过伺服系统驱动鳍转动然后通过相应的驱动鳍进行转动，让两个对称的鳍打到相反的鳍角，由于水流的作用使一个鳍形成向上的升力，而另外一个鳍则形成向下的升力。两个鳍产生的控制力矩（扶正力矩）与海浪的横摇力矩相抵消，这样就能减轻船舶的横摇。其原理如下图所示：图2.2 传统的减摇鳍减摇原理图减摇鳍升力作用线与减摇鳍的中轴线垂直，因此： (2-2) 式中：-为鳍轴的轴线与自鳍中心到船舶重心的连线之间的夹角，；-为升力的力臂，；-为单个鳍上产生的升力。通常非常小，因此有，故式（2-2）可以变为： (2-3) 联合式（2-2）与（2-3）可以得到： (2-4) 由上式（2-4）可知，对于某个确定的减摇鳍系统来说，扶正力矩的大小主要与航速和升力系数有关，升力系数又与减摇鳍攻角成对应关系。所以，当船舶在中高航速下以一定的航速行驶时，利用控制器来控制鳍角，就能改变控制力矩的大小，从而尽可能多的抵消海浪横摇干扰力矩，以达到减摇的目的。减摇鳍的攻角与升力系数成正相关关系，即鳍角越大升力也越大。然而，当鳍角增加到临界值时，此时流经鳍面的水就不再沿着鳍的表面均匀流动，而是产生低速的小漩涡，使鳍发生抖振，这样鳍面上的升力急剧的下降，这就是“失速”现象。因此，为了防止失速的产生，中高航速的减摇鳍控制系统中必然会鳍角的最大值进行限定，一般不超过30当海浪干扰因素使船舶发生横摇时，横摇角信号传感器将检测到的信号传给控制器，控制器对横摇信号进行处理，算出鳍角应该打到的角度，伺服液压系统驱动鳍转到指定的位置角度。当船舶的横摇角不断变化时，鳍角也随着相应的改变，产生合适的扶正力矩来抵消横摇力干扰力矩，减摇鳍的控制系统原理图如下图所示。图2.3 采用鳍角反馈的减摇鳍控制系统原理框图如果船舶的航速一定，则鳍上的升力和鳍角的关系可进行线性化处理。目前，减摇鳍控制系统大规模采用的仍是PID控制器。此控制器由比例环节、积分环节和微分环节构成，它是控制界最经典的算法。其优势在于：具有很强的灵活性，能方便的调整三个环节参数的大小，过程迅速，实现起来也容易；可靠性好，系统参数的影响对控制效果微乎其微。2.2.2 零低航速减摇鳍的工作原理 根据上式（2-4）可以看出，普通减摇鳍上产生的升力与船速的二次方成正相关关系。因此，如果船舶以很低的航速行驶，或者处于停泊状态时，减摇鳍上产生的升力就会近乎为零，扶正力矩也变得很小，无法与较大的横摇力矩相抵消，所以普通减摇鳍就无法有效的工作。鉴于此种情况，一种新型的减摇鳍应运而生，零低航速时，鳍角的位置一定来对抗横摇力矩是毫无效果的。因此，零低航速减摇鳍采取鳍绕鳍轴主动急拍的方式产生升力，运动方式如图2.3所示。图2.4 单翼零低航速减摇鳍的运动方式示意图零低航速减摇鳍与仿生鱼的尾鳍推进装置看起来虽然十分的相似，但是它们还是有所不同。零低航速减摇鳍利用的有效部分是总作用力沿竖直方向的分力，而仿生鱼尾鳍利用的有效部分则是总作用力沿平行于前进方向的分力,鳍上的升力生成原理如图2.4所示，从图中可以看出，鳍上的升力和鳍的拍动角度为余弦关系，拍角越大，升力反而越小，通常拍动角不超过。图2.5 零低航速减摇鳍的升力产生原理图2.3 零低航速减摇鳍的工作方式2.3.1 基于单翼横向拍动的零低航速减摇鳍 由鸟类的飞行运动可知，当鸟儿起飞时，上下拍动翅膀，由此来产生升力。零低航速减摇鳍就是基于此原理，拍动方式有垂直于船航行方向的横向拍动鳍和平行于船速方向的纵向拍动型。图2.6（a）是单翼横向拍动型零低航速减摇鳍的基本结构示意图。 从图2.6（a）可以看出，零低航速减摇鳍与普通减摇鳍很相似，安装位置都是在船体的般部。然而，零低航速减摇鳍的鳍轴和普通的减摇鳍是完全不同的。普通的减摇鳍只有一根与船舷垂直的鳍轴，鳍面安装在于船体平行的位置；而单翼横向拍动型鳍则一共有两根鳍轴，鳍轴1和普通减摇鳍鳍轴相同，垂直贯穿于船体，鳍轴2连接在鳍轴1上，与船体平行，鳍面则安装于鳍轴2之上，与船体相垂直，鳍轴1和鳍轴2之间采用机械连动装置，使两根鳍轴能保持固定，并传送动力让鳍面沿着鳍轴2上下拍动。横向拍动鳍能产生较大的升力，并且对船舶的行驶几乎没有阻力，但是它机械连动装置结构复杂，需要驱动的功率大，无法使用船舶的推进能量，更为糟糕的是，在中高航速下无法有效的进行减摇工作。 （a）单翼横向拍动型的零低航速减摇鳍 （b）单翼纵向拍动型的零低航速减摇鳍图2.6 单翼零低航速减摇鳍图2.3.2 基于单翼纵向拍动的零低航速减摇鳍 如上图2.6（b）所示的为单翼纵向拍动型零低航速减摇鳍的基本结构示意图。从图中可以看出，和普通的减摇鳍相比，纵向拍动型零低航速减摇鳍无论是从结构还是安装的位置都是完全一样的。它有唯一的一根鳍轴和套在鳍轴上的鳍面组成。两者相比最大的不同就是改变了鳍的拍动方向，虽然也是上下拍动，但鳍面与船体是平行的。纵向拍动鳍产生的升力比横向拍动鳍在同样的运动条件下要小一些，通过增大鳍面积或改变鳍的形状来增加鳍上产生的升力。纵向拍动鳍与横向拍动鳍相比少了一根鳍轴，从而简化了机械传动装置，便于工程上的实现，而且有很重要的一点，它和中高航速下减摇鳍的工作方式匹配度非常的吻合。2.3.4 两种类型零低航速减摇鳍优缺点 零低航速下的单翼纵向拍动鳍无论是外形还是安装的方式都和普通减摇鳍是一样的，只需改变鳍的鳍角拍动频率就可以很方便在零低很中高航速之间灵活的转换，这样既可以降低伺服系统驱动功率又能提高减摇效能。而且，由于普通减摇鳍已经非常成熟，只需在它的基础上稍加改动就能实现设计功能，所以结构比较简单，工程造价也较低，易于大规模推广。因此，单翼纵向拍动鳍在工程实际中得到了比较广泛的应用。但是它也有自身的不足之处，表现为伺服系统驱动功率利用率低。因为鳍面拍动的前后的都是开阔水域，鳍面拍动周围的水流不受限制，这使得水流朝各个方向流动，因此驱动鳍拍动的能量损失了很大一部分，而转移到了周围的水的动能中。与此同时，鳍面产生的作用力在水平方向的分力与船舶行驶方向一致，能帮助驱动船舶向前行驶；当鳍的拍动角增大时，升力反而减小。为了增大升力，因此零低航速鳍比普通鳍面积要大。 表2.1 零低航速减摇鳍综合性能对比纵向拍动单翼鳍横向拍动单翼鳍结构较简单，工程实现容易结构复杂，工程上实现较困难零低与中高航速切换容易零低与中高航速切换困难伺驱动鳍的功率利用率低，需要增大鳍面积伺驱动鳍的功率利用率高，不用太大鳍面积升力较小升力较大可以利用船舶航行的能量无法利用船舶航行的能量2.4 本章小结综上所述，目前最适合全航速下的减摇鳍是单翼纵向拍动型，它能满足此范围内减摇的要求。当船舶停泊在水面或者以较低航速行驶时，使用快速上下拍水的零低航速减摇鳍工作方式，中高航速时则切换为普通减摇鳍进行有效的减摇。第3章 减摇鳍动力系统电伺服系统模糊控制由于船舶和海洋环境的复杂性和不确定性，船舶往往要受到各种情况下，不同程度的海浪扰动，减摇鳍伺服系统中的电机转轴也要承受不同程度的负载扰动，这给船舶减摇鳍系统的有效控制带来很大困难。经典PID控制结构简单、鲁棒性较强，但在静态和动态性能之间，跟踪设定值和抑制扰动能力之间存在着矛盾，通常采用折衷的处理方法，使系统不能获得最佳的控制效果。模糊控制器的设计由于不针对具体海情，是根据人的经验规则来进行，因此非常适用于减摇鳍伺服系统。3.1 模糊控制器Zadeh首先于1973年发表模糊理论，欲以语言变量描述真实的世界，但在发源地美国所受的注意有限，后来Mamdan i E. H于1974年首先将模糊控制组成Fuzzy控制器，成功地用于蒸汽机的自动控制之中。其最大优点是不依赖于被控制对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响。对调节对象的参数变化具有较强鲁棒性。因而在电力拖动领域中的应用相比智能控制的另外两种方法来讲要成熟得多。 模糊逻辑从含义上比其它传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。它能够对真实世界的近似的、不确切的特性进行刻画，所以很容易为人所接受。很明显，模糊逻辑是二值逻辑的扩展，它摒弃了二值逻辑简单的肯定或否定，它允许一个命题亦此亦彼，存在着部分肯定和部分否定，只不过隶属程度不同而已，因而它很容易恰当地描述冷、热之类的形容词。 其中模糊控制规则的特征是：首先，模糊控制是一种运算规则与一般人类语言相联系的控制方式，它很容易适应人类的模糊语言，因此它能具体表达控制器的内部作用。如果采用模糊规则控制，我们就能很方便的理解控制器的结构，并且对控制规则作出调整，因此模糊控制规则还具备学习能力。其次，模糊控制规则有类似这样的控制结构，就是控制输入和控制输出是由控制规则决定的，并且采用“如果-那么”这样的形式。由于这样的控制结构，它能很好地适应非线性设备和复杂设备的控制。 模糊控制与常规控制相比，具有以下优点： （1）模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。 （2）模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立被控对象的数学模型，是解决不确定系统的一种有效途径。 （3）模糊控制的机理符合人们对过程控制的直观描述和思维逻辑，由工业过程的定性过程出发，建立语言变量控制规则。 （4）由离线计算得到控制表，提高控制系统的实用性。 （5）由不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数，但对一个给定的系统而言，其语言控制规则分别独立，通过整个控制系统协调，可以取得总体的协调控制。 模糊控制的一般过程如图3. 1所示：图3. 1 模糊系统结构 该模糊系统由如下四个基本要素组成： （1）知识库（knowledge base）：它包括模糊集和模糊算子的定义。 （2）推理机制（inference engine）：它执行所有的输出计算。 （3）模糊化（fuzzification）：它将真实的输入值表示为一个模糊集。 （4）反模糊化（defuzzification）：它将输出模糊集转化为真实的输出值。 知识库中包含了每一个模糊集的定义，并保持一套算子以实现基本的逻辑，同时用一个规则信度矩阵表示模糊规则映射。推理单元与模糊器和反模糊器一起，从参考输入计算出真实的输出值。模糊器将输入表示为一个模糊集，使得推理单元在存储于知识库中的规则下与之匹配。然后推理单元计算每一规则的作用强度，并输出一个模糊分布（所有模糊输出集的并），该模