大型遠洋風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)仿真

徐 立， 方軍庭， 王國剛

(1.武漢理工大學 a.高性能船舶技術教育部重點實驗室； b.能源與動力工程學院， 武漢 430063； 2．鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450061)

大型遠洋風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)仿真

徐 立1a,1b， 方軍庭1a,1b， 王國剛2

(1.武漢理工大學 a.高性能船舶技術教育部重點實驗室； b.能源與動力工程學院， 武漢 430063； 2．鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450061)

針對海風會對風帆助航船舶的航向產生干擾，設計一種穩(wěn)定的風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)。在MATLAB/Simulink平臺下對風帆助航船舶的航向控制和不同風況下的保向性進行仿真研究。仿真模型輸出的結果表明，運用該航向控制系統(tǒng)可以準確、迅速地調整航向，同時能夠在海風的影響下維持風帆助航船舶的航向穩(wěn)定性。

水路運輸；風帆助航船舶；航向控制系統(tǒng)；保向性；仿真

隨著地球資源日漸枯竭，開展可再生能源在船舶上的應用研究具有很高的實用價值和現(xiàn)實意義。在目前的海洋環(huán)境和技術條件下，將“風帆”作為船舶的輔助推進裝置，是減少船舶燃油消耗，削減航運成本，降低二氧化碳、硫化物、氮化物等有害氣體排放的有效措施。[1-2]

目前，典型的船舶航向控制方法有PID控制、自適應控制和智能控制3種。

1.傳統(tǒng)的PID控制方法靈活性較高，能通過調整比例參數(shù)、微分參數(shù)、積分參數(shù)來應對船舶運動環(huán)境的變化，對船舶進行航向控制，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、簡單方便的特點，被廣泛采用。

2.自適應控制法能有效滿足航向控制精度、減少操舵時的能源消耗，但控制參數(shù)難以調整、研制成本高，目前難以廣泛應用于實船中。

3.智能航向控制法應用了人工智能技術，主要研究對象是航向控制器，該方法中的控制參數(shù)難以調整,控制器設計復雜，在實船應用中亦不多見。

綜合分析國內外航向控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和產品開發(fā)情況可知,在實際的航向控制系統(tǒng)應用中，以PID控制器為核心的自動舵占市場主導地位。

考慮到海風對風帆助航船舶的航向有干擾影響，在自動舵控制策略的基礎上加入風帆助航船舶運動數(shù)學模型，對其航向控制問題進行研究。設計合適的自動舵控制策略和穩(wěn)定的航向控制系統(tǒng)，使風帆助航船舶在有效利用海風資源、節(jié)能減排的同時，不會因海風的影響發(fā)生偏航、偏蕩現(xiàn)象，避免船舶在不同風況下頻繁操舵，維持航向穩(wěn)定性。

1 風帆助航船舶航向控制策略

當船舶以風帆助航形式在水面上航行時，因不同風況干擾，船舶在受到風帆縱向推力影響的同時，亦受到橫向側推力和轉艏力矩的影響，船舶實際航向與預定航向存在一定偏差，如不及時調整舵角，船舶將在行駛過程中越來越偏離原有航向，進而增大將船舶調整至預定航向的難度。因此，對風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)有以下要求[3-4]：

1.在船舶定向行駛過程中，能保證船舶沿直線航行，若出現(xiàn)偏離,能立刻自動修正。

2.當船舶確定新的航向后，能自動操舵轉向，并能對因轉舵產生的轉動慣量造成的船首擺動作出自動調整。

3.對因風帆助航產生的轉艏力矩起克服作用，維護風帆助航船舶的航向穩(wěn)定性。

根據(jù)風帆助航船舶的航向控制步驟，設計風帆助航船舶的航向控制策略(見圖1)。

在風帆助航船舶航行過程中，將實際航向與預定航向產生的航向偏差φe輸入至航向控制器，得到舵角偏差δe；將舵角偏差δe輸入至舵機控制系統(tǒng)，得到操舵角δ；利用已建立的風帆助航船舶運動數(shù)學模型，以操舵角δ為輸入、航向角φ為輸出，得到實際航向，即可實現(xiàn)對風帆助航船舶的航向控制。[5]

圖1 風帆助航船舶航向控制策略

2 風帆助航船舶航向控制器控制算法

2.1風帆助航船舶航向PID控制設計

選用PID控制器作為風帆助航船舶航向控制器，航向控制系統(tǒng)中控制器的數(shù)學模型[6-7]為

(1)

舵的模型為

(2)

式(2)中:舵角δ滿足|δ|≤35°，轉舵角速度≤2.5(°)/s。

因此,可在MATLAB/Simulink工具箱中建立風帆助航船舶的航向控制系統(tǒng)模型(見圖2)。

圖2 風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)模型圖

2.2PID參數(shù)整定

采用試湊法對PID控制器參數(shù)進行整定，根據(jù)控制參數(shù)對航向控制系統(tǒng)性能的影響程度，邊調整參數(shù)，邊觀察系統(tǒng)的響應曲線，研究各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復修改，直至出現(xiàn)滿意的響應曲線，從而確定航向控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)。[8]

一般調整參數(shù)按照先比例參數(shù)，再積分參數(shù)，最后微分參數(shù)的步驟進行。增大比例環(huán)節(jié)參數(shù)有助于加快系統(tǒng)響應速度、減小靜差，但該參數(shù)不能過大，否則會使系統(tǒng)產生較大超調、穩(wěn)定性變差并產生振蕩。減小積分環(huán)節(jié)參數(shù)能減少控制器對系統(tǒng)的積分作用，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定、減少超調，但會使系統(tǒng)消除靜差的速度變慢。增大系統(tǒng)的微分參數(shù)有助于加快系統(tǒng)的響應速度、減少超調、增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，但會減弱系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2.1比例參數(shù)的整定

將積分參數(shù)和微分參數(shù)調零，將比例參數(shù)從小到大逐漸增加，直到系統(tǒng)滿足響應速度快、有一定超調為止。

2.2.2積分參數(shù)的整定

將積分參數(shù)由小到大逐漸增加，系統(tǒng)靜差會逐漸減小甚至消除。反復調整，直到靜差消除的速度符合系統(tǒng)設定為止。

2.2.3微分參數(shù)的整定

將微分參數(shù)從零開始逐漸增加，同時適當微調比例參數(shù)和積分參數(shù)，逐步試湊，直到系統(tǒng)響應符合設計要求為止。

按照以上原則，經過反復整定，確定控制器的參數(shù)KP=1.162，KI=0.01，KD=0.537 5。

3 風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)仿真

在建立的Simulink仿真模型的基礎上，輸入船舶運動的初始參數(shù)，例如:風帆助航船舶在平靜的海面上向正北方向作勻速直線航行，風速為0，主機轉速為105 r/min，初始航速為13.5 kn。同時,在仿真模型中輸入需要改變的航向，可得到改變航向時航向角、舵角、航向偏差、航行軌跡的輸出。

改變航向為北偏東20°，在仿真模型中輸入預定航向020°，其航向角、舵角、航向偏差和航行軌跡的輸出見圖3～圖6。

圖3 給定航向偏差20°時航向角的輸出

圖4 給定航向偏差20°時舵角的輸出

圖5 給定航向偏差20°時航向角偏差的輸出

圖6 給定航向偏差20°時船舶航跡的輸出

從圖3～圖6中可以看出，當風帆助航船舶在原有航向航行時，被指定航向偏差20°后，能在大約400 s的時間內通過合理調節(jié)舵角，將船舶調整至新航向。觀察船舶航跡輸出可知，船舶能在PID航向控制系統(tǒng)下準確地調整航向，并在新的指定航向下穩(wěn)定航行，說明設計的風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)能有效控制航向，并保證船舶具有良好的操縱性能。

4 不同風況下風帆助航船舶的保向性仿真研究

利用設計的風帆助航船舶航向控制系統(tǒng)對風帆助航船舶在不同風況下的保向性進行仿真研究[9-10]。將76 000載重噸巴拿馬型“文竹海”號散貨船作為目標船，其相關參數(shù)見表1。

表1 “文竹海”號散貨船相關參數(shù)

通過查找資料，得到“文竹海”號散貨船航行線路上的風力資源分布見表2。

表2 典型航線上全年風能資源概況

根據(jù)典型航線上的風力資源概況，假設風帆助航船舶沿正北方向航行，船速為13.5 kn，主機轉速為105 r/min，對風帆助航船舶在2種不同風況下的保向性進行仿真實驗，船舶的初始狀態(tài)見表3。

表3 風帆助航船舶保向性試驗船舶初始狀態(tài)

1.船舶以13.5 kn航速沿正北方向航行時，受到絕對風向角ψT=7π/6,相對風向角aR=5π/6,絕對風速UT=6.6 m/s的海風助推力。對此狀態(tài)下的風帆助航船舶的航向、舵角、航行速度進行仿真(見圖7)，觀察該風況對船舶航向的影響及為維持該航向舵角的調整情況，并計算該風況下船舶的增速。

2.船舶以航速13.5 kn沿正北方向航行時，受到絕對風向角ψT=4π/3,相對風向角aR=2π/3,絕對風速UT=10 m/s的海風助推力。該風況下的風帆助航船舶航向、舵角、航行速度仿真曲線見圖8。

由圖7～圖8可知，在不同風況下，利用設計的航向控制系統(tǒng)，風帆助航船舶的航向、舵角、航行速度能夠在短時間內趨于穩(wěn)定。

(a) 航向歷時曲線

(b) 舵角歷時曲線

(c) 航行速度歷時曲線

(a) 航向歷時曲線

(b) 舵角歷時曲線

(c) 航行速度歷時曲線

5 結 語

運用設計的航向控制系統(tǒng)對風帆助航船舶的航向控制和不同風況下的保向性進行仿真，主要結論如下:

1.利用設計的航向控制系統(tǒng)，當風帆助航船舶改變航向時，其航向角能在短時間內調整到指定角度，舵角和航向角偏差也會在短時間內由指定角度變?yōu)?°。該航向控制系統(tǒng)能夠有效控制風帆助航船舶的航向變化，保證船舶具有良好的操縱性。

2.利用該航向控制系統(tǒng)，能夠保證風帆助航船舶的航向穩(wěn)定。根據(jù)仿真結果，在一定的風況下，風帆助航船舶經過微小的偏航后其航向角能迅速變回0°；其舵角能在短時間內作出改變，使風帆助航船舶在海風影響下保持原航向，航跡保持不變。

3.在航向控制系統(tǒng)的作用下，風帆助航船舶能在正常風況下獲得可靠的風帆助推力，并能保證船舶航行過程中航向的穩(wěn)定性，使船舶不會因海洋風的影響而嚴重偏航，對風帆助航技術在大型遠洋船舶上的推廣應用起到了積極的作用。

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SimulationofHeadingControlSystemforLargeOcean-GoingSail-AssistedShips

XULi1a,1b,FANGJunting1a,1b,WANGGuogang2

(1a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education; 1b. School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Zhengzhou Yutong Bus Co., Ltd., Zhengzhou 450061, China)

Sea wind influences the course of sail-assisted ship. A stable heading control algorithm for the large ocean-going sail-assisted ship is designed to simulate heading control and course-keeping ability in different wind regimes with MATLAB/Simulink. According to the output of the simulation model, the heading control system is able to maintain the course stability of the sail-assisted ship under the influence of sea wind, and adjust the course accurately and quickly.

waterway transportation; sail-assisted ship; heading control system; course-keeping ability; simulation

2014-07-20

國家高技術研究發(fā)展計劃(“八六三”計劃)項目(2012AA112702)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2013-IV-045)

徐 立(1975—)，男，副教授，碩士生導師,主要從事風能、太陽能、核能等清潔能源在大型遠洋船舶上的應用研究。

E-mail: xuli92211@163.com

1000-4653(2014)04-0096-04

U664.82

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