大型遠(yuǎn)洋風(fēng)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(xué) a.高性能船舶技術(shù)教育部重點實驗室； b.能源與動力工程學(xué)院， 武漢 430063； 2．鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450061)

大型遠(yuǎn)洋風(fēng)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(xué) a.高性能船舶技術(shù)教育部重點實驗室； b.能源與動力工程學(xué)院， 武漢 430063； 2．鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450061)

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

水路運輸；風(fēng)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(yīng)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(shù)條件下，將“風(fēng)帆”作為船舶的輔助推進(jìn)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(yīng)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(diào)整比例參數(shù)、微分參數(shù)、積分參數(shù)來應(yīng)對船舶運動環(huán)境的變化，對船舶進(jìn)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(yīng)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(diào)整、研制成本高，目前難以廣泛應(yīng)用于實船中。

3.智能航向控制法應(yīng)用了人工智能技術(shù)，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(diào)整,控制器設(shè)計復(fù)雜，在實船應(yīng)用中亦不多見。

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

考慮到海風(fēng)對風(fēng)帆助航船舶的航向有干擾影響，在自動舵控制策略的基礎(chǔ)上加入風(fēng)帆助航船舶運動數(shù)學(xué)模型，對其航向控制問題進(jìn)行研究。設(shè)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(fēng)帆助航船舶在有效利用海風(fēng)資源、節(jié)能減排的同時，不會因海風(fēng)的影響發(fā)生偏航、偏蕩現(xiàn)象，避免船舶在不同風(fēng)況下頻繁操舵，維持航向穩(wěn)定性。

1 風(fēng)帆助航船舶航向控制策略

當(dāng)船舶以風(fēng)帆助航形式在水面上航行時，因不同風(fēng)況干擾，船舶在受到風(fēng)帆縱向推力影響的同時，亦受到橫向側(cè)推力和轉(zhuǎn)艏力矩的影響，船舶實際航向與預(yù)定航向存在一定偏差，如不及時調(diào)整舵角，船舶將在行駛過程中越來越偏離原有航向，進(jìn)而增大將船舶調(diào)整至預(yù)定航向的難度。因此，對風(fēng)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(dāng)船舶確定新的航向后，能自動操舵轉(zhuǎn)向，并能對因轉(zhuǎn)舵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量造成的船首擺動作出自動調(diào)整。

3.對因風(fēng)帆助航產(chǎn)生的轉(zhuǎn)艏力矩起克服作用，維護(hù)風(fēng)帆助航船舶的航向穩(wěn)定性。

根據(jù)風(fēng)帆助航船舶的航向控制步驟，設(shè)計風(fēng)帆助航船舶的航向控制策略(見圖1)。

在風(fēng)帆助航船舶航行過程中，將實際航向與預(yù)定航向產(chǎn)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(jī)控制系統(tǒng)，得到操舵角δ；利用已建立的風(fēng)帆助航船舶運動數(shù)學(xué)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(fēng)帆助航船舶的航向控制。[5]

圖1 風(fēng)帆助航船舶航向控制策略

2 風(fēng)帆助航船舶航向控制器控制算法

2.1風(fēng)帆助航船舶航向PID控制設(shè)計

選用PID控制器作為風(fēng)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(xué)模型[6-7]為

(1)

舵的模型為

(2)

式(2)中:舵角δ滿足|δ|≤35°，轉(zhuǎn)舵角速度≤2.5(°)/s。

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

圖2 風(fēng)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(jìn)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(diào)整參數(shù)，邊觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，研究各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復(fù)修改，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)曲線，從而確定航向控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)。[8]

一般調(diào)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(jìn)行。增大比例環(huán)節(jié)參數(shù)有助于加快系統(tǒng)響應(yīng)速度、減小靜差，但該參數(shù)不能過大，否則會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)、穩(wěn)定性變差并產(chǎn)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(diào)，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(yīng)速度、減少超調(diào)、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(diào)零，將比例參數(shù)從小到大逐漸增加，直到系統(tǒng)滿足響應(yīng)速度快、有一定超調(diào)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(fù)調(diào)整，直到靜差消除的速度符合系統(tǒng)設(shè)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(dāng)微調(diào)比例參數(shù)和積分參數(shù)，逐步試湊，直到系統(tǒng)響應(yīng)符合設(shè)計要求為止。

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

3 風(fēng)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(chǔ)上，輸入船舶運動的初始參數(shù)，例如:風(fēng)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(fēng)速為0，主機(jī)轉(zhuǎn)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(yù)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(dāng)風(fēng)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(nèi)通過合理調(diào)節(jié)舵角，將船舶調(diào)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(zhǔn)確地調(diào)整航向，并在新的指定航向下穩(wěn)定航行，說明設(shè)計的風(fēng)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(fēng)況下風(fēng)帆助航船舶的保向性仿真研究

利用設(shè)計的風(fēng)帆助航船舶航向控制系統(tǒng)對風(fēng)帆助航船舶在不同風(fēng)況下的保向性進(jìn)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(biāo)船，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 “文竹海”號散貨船相關(guān)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(fēng)力資源分布見表2。

表2 典型航線上全年風(fēng)能資源概況

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

表3 風(fēng)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(fēng)向角ψT=7π/6,相對風(fēng)向角aR=5π/6,絕對風(fēng)速UT=6.6 m/s的海風(fēng)助推力。對此狀態(tài)下的風(fēng)帆助航船舶的航向、舵角、航行速度進(jìn)行仿真(見圖7)，觀察該風(fēng)況對船舶航向的影響及為維持該航向舵角的調(diào)整情況，并計算該風(fēng)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(fēng)向角ψT=4π/3,相對風(fēng)向角aR=2π/3,絕對風(fēng)速UT=10 m/s的海風(fēng)助推力。該風(fēng)況下的風(fēng)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(fēng)況下，利用設(shè)計的航向控制系統(tǒng)，風(fēng)帆助航船舶的航向、舵角、航行速度能夠在短時間內(nèi)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(jié) 語

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

1.利用設(shè)計的航向控制系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)帆助航船舶改變航向時，其航向角能在短時間內(nèi)調(diào)整到指定角度，舵角和航向角偏差也會在短時間內(nèi)由指定角度變?yōu)?°。該航向控制系統(tǒng)能夠有效控制風(fēng)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(fēng)帆助航船舶的航向穩(wěn)定。根據(jù)仿真結(jié)果，在一定的風(fēng)況下，風(fēng)帆助航船舶經(jīng)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(nèi)作出改變，使風(fēng)帆助航船舶在海風(fēng)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(fēng)帆助航船舶能在正常風(fēng)況下獲得可靠的風(fēng)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(fēng)的影響而嚴(yán)重偏航，對風(fēng)帆助航技術(shù)在大型遠(yuǎn)洋船舶上的推廣應(yīng)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(shù)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(wù)費專項資金資助項目(2013-IV-045)

徐 立(1975—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師,主要從事風(fēng)能、太陽能、核能等清潔能源在大型遠(yuǎn)洋船舶上的應(yīng)用研究。

E-mail: xuli92211@163.com

1000-4653(2014)04-0096-04

U664.82

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