可調螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)的分析及應用

張亞東，徐 靜

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可調螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)的分析及應用

張亞東1，徐 靜2

（1. 中海油田服務股份有限公司，北京101149；2. 遼寧省朝陽供電公司，遼寧122000）

對可調螺距螺旋槳控制系統(tǒng)的進行了分析，給出了模糊控制在可調槳控制系統(tǒng)在螺距調節(jié)時的應用，具有很好的實際應用價值。

可調槳 PID控制 模糊控制

0 引言

可調螺距螺旋槳（簡稱CPP 或調距槳），即是通過裝置于槳轂中的執(zhí)行機構，使得槳葉旋轉而調節(jié)螺距的螺旋槳[1]。與定距槳比較，調距槳的槳葉角度（螺距角）可以調節(jié)，這就使得船舶的推力方向、大小可以在一定區(qū)間內可調節(jié)，改善了船舶在不同工況下的操縱性能和推進效率?？烧{距對控制器的要求也更為復雜和精確。

和傳統(tǒng)的控制理論相比，人們往往將控制器構造在被控制的對象十分精確的數(shù)學模型為依據(jù)的。相反的是，現(xiàn)實所遇到的情況中系統(tǒng)多數(shù)是復雜的，具有強非線性化、干擾性強、具有時變性、且具有時滯性和強耦合等特性。而船舶的運動就是這樣一種情形，由于船、機、槳三者互相耦合，所有船舶是具有非線性和大滯后的對象。這類系統(tǒng)所固有的復雜性、模糊性和其他的因素影響，采用精確的數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制理論已經(jīng)很難生效，而模糊控制可以為這類系統(tǒng)更優(yōu)化的解決方式。

1 可調槳的控制系統(tǒng)的分析

在當今船舶調距槳控制應用領域， PkD控制方式被廣泛應用。隨著船舶自動化水平提升和機動性增強，該控制方式越來越顯現(xiàn)出其只能適用于特殊工況的局限性。當可調槳的運行條件發(fā)生改變時，PkD控制方式所設置的參數(shù)不能隨意更改，因此往往控制效果并不良好?；谶@些因素考慮，依據(jù)模糊控制方式在其他實際控制系統(tǒng)中的成功應用的控制算法和經(jīng)驗加以調整，應用在調距槳控制系統(tǒng)上，使其可以適用于各種復雜運行工況。普遍的可調距槳系統(tǒng)的控制結構如下圖1所示。

圖1可調槳控制結構示意圖

由于可調槳螺距的控制是十分復雜的過程，所以很難建立精確的數(shù)學控制模型。而類似于人類語言信息的模糊控制，有著類似人類的思維，易于理解，設計也更為靈活，且其維護方便。擁有模糊信息的控制規(guī)則的控制器（模糊控制器），其控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)相比，魯棒性和穩(wěn)定性強。由于常規(guī)的控制系統(tǒng)僅僅通過調節(jié)參數(shù)來改善控制效果，而模塊控制系統(tǒng)能夠改變控制規(guī)則、推理方式、隸屬度函數(shù)和決策判定來修正控制系統(tǒng)特性。所以在設計、維修和調整性上模糊控制器更為簡單。在常規(guī)控制算法中，微小的錯誤和參數(shù)漂移都可能引起系統(tǒng)失控，而基于控制規(guī)則的模糊控制系統(tǒng)對某一規(guī)則的變化敏感的很小，系統(tǒng)抗干擾能力強[3]。

2 可調槳的模糊控制系統(tǒng)的應用

通過對調距槳的螺距變化過程的分析，螺距大小的變化是決定性的關鍵參數(shù)，螺距的改變對應著一定時間段內恒轉速情況下螺旋槳的推力值變化。但是在調距槳推力值的變化和螺距變化并不是線性變化過程，因此對螺距的控制可以采取分段控制方式。

設螺距為P，其誤差為e，誤差的變化率用微分?來表示。依據(jù)被控對象的系統(tǒng)誤差及誤差的變化趨勢來消減誤差的模糊原理，建立以e和?為輸入的兩輸入單輸出的模糊控制器。

依據(jù)對隸屬度函數(shù)采取三角形的結構原理，將螺距誤差e和螺距的誤差微分?均規(guī)劃成7個變量的等級（NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB）。

通過常見的控制原理結合在實際應用的經(jīng)驗，可以總結出如下表所示的控制規(guī)則。

表1 模糊控制規(guī)則表

采用重心法來精確處理輸出量，分析輸出量規(guī)則，使用離線計算方式處理輸出量，可以得到優(yōu)化后的控制表。通過模糊量化處理在實際應用中采樣的數(shù)據(jù)，再結合查表可以得出輸出量。

可調槳螺距的某段控制過程中，穩(wěn)態(tài)時ABS（△P）<1o。

分析可調槳的螺距控制過程，輸入量是影響輸出量的主要因素，因此可以將其他變量視為干擾量。而在上述變量范圍內，在相鄰螺距變化區(qū)間的耦合情況最為嚴重。

可以將每段螺距范圍設計為單輸入單輸出的單通道模糊控制器，計算出輸出Uk；然后將其他段螺距控制通道的耦合作用當作干擾?；谔蕹蓴_的影響處理，可以對相鄰的螺距控制通道采用一個模糊補償做解耦處理。如下：

分析k段螺距控制的控制過程，分析干擾因素，可以得知第k-1段和k+1段對其影響（最后一段沒有k+1段，第一段沒有第k-1段），通過模糊補償處理。用U′k,k-1和U′k,k+1分別來表示第k-1段和k+1段的干擾效果。這樣第k段的螺距控制為：Uk=U′k+ U′k,k-1+U′k,k+1。

令各個螺距控制設定螺距分別為P1，P2，…，Pm；各控制區(qū)域的實際螺距分別為P′1(t)，P′2(t)，…，P′m(t)，其中t為時間變量。運用模糊解耦補償控制方法以及U′k,k-1和 U′k,k+1計算方法如下：

第一步將螺距控制過程區(qū)分分為m個區(qū)間，所以需要建立m個單變量模糊控制器。采用二維模糊控制器，輸入為Ek(t)= Pk- P′k(t)，ECk(t)= dEk(t)/dt。模糊控制器的輸入及輸出關系為?(.)，那么系統(tǒng)中單變量模糊控制器的輸出為：

U′k=?(Ek(t)，ECk(t))

第二步設計解耦模糊控制器，計算該段的U′k,k-1和U′k,k+1，對于第k個螺距控制區(qū)，主要的耦合作用是因為從第k-1到k+1控制區(qū)的螺距改變，因此可以不考慮其他控制區(qū)的作用。

dk,k+1=(Pk+1- Pk)- (P′k+1-P′k)

即為第k+1區(qū)與第k區(qū)的設定螺距與實際螺距誤差值之差

ek,k+1= P′k-P′k+1

即為第k+1區(qū)及第k的實際螺距之差，同理可以得知第k-1及第k區(qū)的關系。

dk,k-1=(Pk-1- Pk)- (P′k-1-P′k)

ek,k-1= P′k-P′k-1

于是，解耦模糊控制算法可描述如下

kf(dk,k+1and ek,k+1) then U′k,k+1

kf(dk,k-1and ek,k-1) then U′k,k-1

把隸屬度函數(shù)分解為三角形，對dk、ek、U′k,k+1、U′k,k-1均劃分為7個變量等級（NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB）。

可以根據(jù)相關的試驗總結推出模塊控制推理表如表2。

表2 模糊補償規(guī)律表

目標區(qū)間螺距誤差和前后區(qū)間螺距誤差之間的差距用參數(shù)dk來表示，當參數(shù)dk為正時表示第k區(qū)間螺距的誤差比前后區(qū)間大，則第k區(qū)間和相鄰區(qū)間相比其模糊控制輸出大；上一區(qū)間實際螺距和前后區(qū)間螺距實際值之差可以用參數(shù)ek來表示，當參數(shù)ek為正時表示第k區(qū)間實際螺距的誤差比相鄰區(qū)間實際螺距高，則第k區(qū)間的變化趨勢會影響相鄰通道螺距的變化?？梢缘贸鼋Y論，當dk和ek越大，則第k區(qū)間的螺距控制補償就要求越大；同理可知，若dk和ek越小，則第k區(qū)間的螺距控制補償要求越小，即可滿足上述規(guī)則。這些規(guī)則是符合人的思維和可調槳螺距控制對象的物理意義的?？梢愿鶕?jù)模糊控制語言做出判斷：

kf(dk,k+1ks PB and ek,k+1ks PB) then U′k,k+1ks PB；

kf(dk,k+1ks NB and ek,k+1ks NB) then U′k,k+1ks NB；

kf(dk,k-1ks PB and ek,k-1ks PB) then U′k,k-1ks PB；

kf(dk,k-1ks NB and ek,k-1ks NB) then U′k,k-1ks NB；

第三步：對模糊控制器進行解耦得出輸出值Uk：

Uk=U′k+ U′k,k-1+U′k,k+1

當前段作為是第一段時則

Uk=U′k+U′k,k+1

當前段作為最后一段時則

Uk=U′k+ U′k,k-1

將上述算法中的U′k,k-1和 U′k,k+1設解耦項，可以由模糊算法得出解耦補償控制。模糊控制器的解耦處理由對應的算法完成，相應的處理方式如圖2所示。

結束語

從采用模糊控制對調距槳的槳角控制分析來看，模糊控制可以有效地改善系統(tǒng)的動態(tài)控制特性，減小調節(jié)的時間和提高控制精度。在船舶可調槳的應用上，模糊控制策略能夠適用于各種復雜的條件，具有良好的市場推廣前景。

圖2 可調槳螺距控制模糊解耦控制器結構示意圖

[1] 龐 濤, 何祖軍, 孫明平. 可調螺距螺旋槳推進特性分析及控制系統(tǒng)研究[J]. 計算機測量與控制, 2006. 14(2): 188-190.

[2] 高 健, 李 眾, 石建華, 等. 可調螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)[J]. 船舶工程, 2000(1): 32-34, 48.

[3] 彭勇剛. 模糊控制工程應用若干問題研究[D]. 浙江大學. 2008: 104-113.

[4] 吳東興, 李 眾, 李 彥. 可調螺距螺旋槳船舶航速模糊控制系統(tǒng)[J]. 華東船舶工業(yè)學院學報, 2001(6): 25-28.

Analysis and Application of Fuzzy Control for Controllable Pitch Propeller

Zhang Yadong1, Xu Jing2

（1. China Oilfield Services Limited , COSL, Beijing 101149, China; 2. Chaoyang Electric Power Company, Liaoning 122000, China）

The controllable pitch propeller control system are analyzed, and fuzzy control is given when the adjustable blade control system in pitch control applications. The result is of valuepractical application.

adjustable paddle; PID control; fuzzy control

TP273

A

1003-4862（2016）04-0007-03

2015-11-04

張亞東(1974-)，男，工程師。專業(yè)方向：海洋工程裝備。