可調(diào)螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)的分析及應(yīng)用

張亞?wèn)|，徐 靜

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可調(diào)螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)的分析及應(yīng)用

張亞?wèn)|1，徐 靜2

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

對(duì)可調(diào)螺距螺旋槳控制系統(tǒng)的進(jìn)行了分析，給出了模糊控制在可調(diào)槳控制系統(tǒng)在螺距調(diào)節(jié)時(shí)的應(yīng)用，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

可調(diào)槳 PID控制 模糊控制

0 引言

可調(diào)螺距螺旋槳（簡(jiǎn)稱(chēng)CPP 或調(diào)距槳），即是通過(guò)裝置于槳轂中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得槳葉旋轉(zhuǎn)而調(diào)節(jié)螺距的螺旋槳[1]。與定距槳比較，調(diào)距槳的槳葉角度（螺距角）可以調(diào)節(jié)，這就使得船舶的推力方向、大小可以在一定區(qū)間內(nèi)可調(diào)節(jié)，改善了船舶在不同工況下的操縱性能和推進(jìn)效率。可調(diào)距對(duì)控制器的要求也更為復(fù)雜和精確。

和傳統(tǒng)的控制理論相比，人們往往將控制器構(gòu)造在被控制的對(duì)象十分精確的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)的。相反的是，現(xiàn)實(shí)所遇到的情況中系統(tǒng)多數(shù)是復(fù)雜的，具有強(qiáng)非線性化、干擾性強(qiáng)、具有時(shí)變性、且具有時(shí)滯性和強(qiáng)耦合等特性。而船舶的運(yùn)動(dòng)就是這樣一種情形，由于船、機(jī)、槳三者互相耦合，所有船舶是具有非線性和大滯后的對(duì)象。這類(lèi)系統(tǒng)所固有的復(fù)雜性、模糊性和其他的因素影響，采用精確的數(shù)學(xué)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(lèi)系統(tǒng)更優(yōu)化的解決方式。

1 可調(diào)槳的控制系統(tǒng)的分析

在當(dāng)今船舶調(diào)距槳控制應(yīng)用領(lǐng)域， PkD控制方式被廣泛應(yīng)用。隨著船舶自動(dòng)化水平提升和機(jī)動(dòng)性增強(qiáng)，該控制方式越來(lái)越顯現(xiàn)出其只能適用于特殊工況的局限性。當(dāng)可調(diào)槳的運(yùn)行條件發(fā)生改變時(shí)，PkD控制方式所設(shè)置的參數(shù)不能隨意更改，因此往往控制效果并不良好。基于這些因素考慮，依據(jù)模糊控制方式在其他實(shí)際控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用的控制算法和經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整，應(yīng)用在調(diào)距槳控制系統(tǒng)上，使其可以適用于各種復(fù)雜運(yùn)行工況。普遍的可調(diào)距槳系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1可調(diào)槳控制結(jié)構(gòu)示意圖

由于可調(diào)槳螺距的控制是十分復(fù)雜的過(guò)程，所以很難建立精確的數(shù)學(xué)控制模型。而類(lèi)似于人類(lèi)語(yǔ)言信息的模糊控制，有著類(lèi)似人類(lèi)的思維，易于理解，設(shè)計(jì)也更為靈活，且其維護(hù)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(qiáng)。由于常規(guī)的控制系統(tǒng)僅僅通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)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(lái)修正控制系統(tǒng)特性。所以在設(shè)計(jì)、維修和調(diào)整性上模糊控制器更為簡(jiǎn)單。在常規(guī)控制算法中，微小的錯(cuò)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(duì)某一規(guī)則的變化敏感的很小，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)[3]。

2 可調(diào)槳的模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)調(diào)距槳的螺距變化過(guò)程的分析，螺距大小的變化是決定性的關(guān)鍵參數(shù)，螺距的改變對(duì)應(yīng)著一定時(shí)間段內(nèi)恒轉(zhuǎn)速情況下螺旋槳的推力值變化。但是在調(diào)距槳推力值的變化和螺距變化并不是線性變化過(guò)程，因此對(duì)螺距的控制可以采取分段控制方式。

設(shè)螺距為P，其誤差為e，誤差的變化率用微分?來(lái)表示。依據(jù)被控對(duì)象的系統(tǒng)誤差及誤差的變化趨勢(shì)來(lái)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(duì)隸屬度函數(shù)采取三角形的結(jié)構(gòu)原理，將螺距誤差e和螺距的誤差微分?均規(guī)劃成7個(gè)變量的等級(jí)（NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB）。

通過(guò)常見(jiàn)的控制原理結(jié)合在實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，可以總結(jié)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(lái)精確處理輸出量，分析輸出量規(guī)則，使用離線計(jì)算方式處理輸出量，可以得到優(yōu)化后的控制表。通過(guò)模糊量化處理在實(shí)際應(yīng)用中采樣的數(shù)據(jù)，再結(jié)合查表可以得出輸出量。

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

分析可調(diào)槳的螺距控制過(guò)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(nèi)，在相鄰螺距變化區(qū)間的耦合情況最為嚴(yán)重。

可以將每段螺距范圍設(shè)計(jì)為單輸入單輸出的單通道模糊控制器，計(jì)算出輸出Uk；然后將其他段螺距控制通道的耦合作用當(dāng)作干擾。基于剔除干擾的影響處理，可以對(duì)相鄰的螺距控制通道采用一個(gè)模糊補(bǔ)償做解耦處理。如下：

分析k段螺距控制的控制過(guò)程，分析干擾因素，可以得知第k-1段和k+1段對(duì)其影響（最后一段沒(méi)有k+1段，第一段沒(méi)有第k-1段），通過(guò)模糊補(bǔ)償處理。用U′k,k-1和U′k,k+1分別來(lái)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(gè)螺距控制設(shè)定螺距分別為P1，P2，…，Pm；各控制區(qū)域的實(shí)際螺距分別為P′1(t)，P′2(t)，…，P′m(t)，其中t為時(shí)間變量。運(yùn)用模糊解耦補(bǔ)償控制方法以及U′k,k-1和 U′k,k+1計(jì)算方法如下：

第一步將螺距控制過(guò)程區(qū)分分為m個(gè)區(qū)間，所以需要建立m個(gè)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(guān)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(shè)計(jì)解耦模糊控制器，計(jì)算該段的U′k,k-1和U′k,k+1，對(duì)于第k個(gè)螺距控制區(qū)，主要的耦合作用是因?yàn)閺牡趉-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(shè)定螺距與實(shí)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(shí)際螺距之差，同理可以得知第k-1及第k區(qū)的關(guān)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(duì)dk、ek、U′k,k+1、U′k,k-1均劃分為7個(gè)變量等級(jí)（NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB）。

可以根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)總結(jié)推出模塊控制推理表如表2。

表2 模糊補(bǔ)償規(guī)律表

目標(biāo)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(lái)表示，當(dāng)參數(shù)dk為正時(shí)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(shí)際螺距和前后區(qū)間螺距實(shí)際值之差可以用參數(shù)ek來(lái)表示，當(dāng)參數(shù)ek為正時(shí)表示第k區(qū)間實(shí)際螺距的誤差比相鄰區(qū)間實(shí)際螺距高，則第k區(qū)間的變化趨勢(shì)會(huì)影響相鄰?fù)ǖ缆菥嗟淖兓？梢缘贸鼋Y(jié)論，當(dāng)dk和ek越大，則第k區(qū)間的螺距控制補(bǔ)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(bǔ)償要求越小，即可滿(mǎn)足上述規(guī)則。這些規(guī)則是符合人的思維和可調(diào)槳螺距控制對(duì)象的物理意義的。可以根據(jù)模糊控制語(yǔ)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(duì)模糊控制器進(jìn)行解耦得出輸出值Uk：

Uk=U′k+ U′k,k-1+U′k,k+1

當(dāng)前段作為是第一段時(shí)則

Uk=U′k+U′k,k+1

當(dāng)前段作為最后一段時(shí)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(shè)解耦項(xiàng)，可以由模糊算法得出解耦補(bǔ)償控制。模糊控制器的解耦處理由對(duì)應(yīng)的算法完成，相應(yīng)的處理方式如圖2所示。

結(jié)束語(yǔ)

從采用模糊控制對(duì)調(diào)距槳的槳角控制分析來(lái)看，模糊控制可以有效地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制特性，減小調(diào)節(jié)的時(shí)間和提高控制精度。在船舶可調(diào)槳的應(yīng)用上，模糊控制策略能夠適用于各種復(fù)雜的條件，具有良好的市場(chǎng)推廣前景。

圖2 可調(diào)槳螺距控制模糊解耦控制器結(jié)構(gòu)示意圖

[1] 龐 濤, 何祖軍, 孫明平. 可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)特性分析及控制系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2006. 14(2): 188-190.

[2] 高 健, 李 眾, 石建華, 等. 可調(diào)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(yīng)用若干問(wèn)題研究[D]. 浙江大學(xué). 2008: 104-113.

[4] 吳東興, 李 眾, 李 彥. 可調(diào)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(xué)院學(xué)報(bào), 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?wèn)|(1974-)，男，工程師。專(zhuān)業(yè)方向：海洋工程裝備。