船舶可調槳螺距模糊 PID 控制器設計

王國近，王 炅，戴金鵬，蹇安安

(武漢海王機電工程技術公司，湖北 武漢 430074)

船舶可調槳螺距模糊 PID 控制器設計

王國近，王 炅，戴金鵬，蹇安安

(武漢海王機電工程技術公司，湖北 武漢 430074)

針對柴油機驅動的船舶可調槳推進系統，從運動學和動力學角度建立與其適應的船槳系統、柴油機系統、調速控制系統和螺距控制系統的運動模型。同時運用模糊控制和 PID 控制理論，在 Matlab 仿真平臺上設計可調槳螺距的模糊 PID 控制器，調試運行使之與可調槳動力性能相匹配，得到相應螺距偏差、偏差變化率和螺距控制輸出量隸屬度數據。通過仿真過程離線計算得到模糊控制器輸出控制量查詢表，從而設計完成可調槳螺距的模糊PID 控制器。針對可調槳螺距控制，給定車鐘指令信號和脈沖干擾信號。仿真實驗結果證明，模糊 PID 控制器能有效避免可調槳控制跳動問題，且其控制速度、精度和靈敏度較傳統 PID 控制器具有顯著優勢。

模糊 PID 控制理論；Matlab 仿真；可調槳；運動模型

0 引 言

目前，大多數船舶安裝有側推裝置，用于產生船舶橫向推力，從而順利離靠碼頭、進出水閘或通過狹窄航道和水域等，作用巨大，其中可調槳可以很方便地通過改變槳葉角度實現柴油機負荷增加或減小，改善船舶在不同航行工況下的推進效率和操作性能，從而獲得設計者的認可。

傳統意義上側推系統螺距調節采用閉環反饋的PID 控制理念，近些年隨著我國工業經濟的飛速發展，新興控制理論逐漸應用于工業控制，其中模糊控制理論越來越受到學者的關注。本文運用模糊 PID 控制理論，通過對船舶可調槳系統仿真建模，設計出螺距模糊 PID 控制器，并通過實驗驗證其較好的控制效果，從而提高船舶自動化性能。此課題具有較高的研究意義和應用價值，開創了模糊控制理論在船舶駕駛領域研究應用的先河。

1 模糊 PID 控制理論

模糊系統理論由美國加利福尼亞大學扎德教授于1965 年提出，隨著模糊系統理論在工業上的成功運用，很多學者開始對模糊系統理論進行研究，這大大促進了模糊理論的發展。20 世紀 90 年代，經過實際應用和理論創新，模糊控制從理論上解決了2個問題：一是如何從實驗數據中獲得模糊規則；二是如何實現模糊系統的穩定性。這一領域的研究成果隨后被廣泛應用在核電發電系統、汽車控制系統、機器人控制系統等。

模糊控制之所以得到廣大研究學者的認可和親睞，歸功于模糊控制的如下顯著特點[1]：

1）運用模糊控制理論，不需要研究系統的精確數學模型，因為很多復雜的工控過程難以得到精確描述。

2）模糊規則多從專家知識和實際經驗中總結得到，所以即使是非控制專業的人也可以很容易地掌握模糊控制理論。

3）模糊控制器構造起來容易。實際模糊控制算法可以通過 PLC 進行實現，也可以通過單片機進行構造。

4）模糊控制是一種人工智能控制，有很好的動態響應品質，并且對過程參數變化有很強的適應性，方便調節。

在現實工控中，固化的 PID 控制參數很難取得很好的控制效果，因為控制對象的參數常常會發生變化。那么把 PID 控制和模糊控制結合起來，實現控制參數的在線自動化調整，從而構造模糊 PID 控制算法，設計出來的控制器具有諸多優點。

2 可調槳推進系統建模

2.1 船槳系統模型

對于船舶可調槳推進系統，主機通過傳動設備帶動螺旋槳轉動，從而產生推力作用在推力軸承上，船舶最終運動。整個系統可分解為多個子系統[2]，簡化處理形成圖 1。

根據螺旋槳工作原理，螺旋槳淌水推力T和水力矩MP分別為：

式中：KT為螺旋槳推力系數；KQ為螺旋槳扭矩系數；n為螺旋槳轉速；D為螺旋槳直徑。

根據牛頓力學定理，船舶推進系統在無偏轉作用時可由以下數學式描述[3]。

動力學關系：

運動學關系：

式中：Te為可調槳有效推力，N；R為船體運動阻力；M為船體總質量，并考慮到隨船一起運動的附著水的質量；VP為螺旋槳的進速；VS為船舶的航速；I為螺旋槳轉動慣量，包括隨它們一起轉動的附著水的轉動慣量；ns為主機轉速；n為螺旋槳的轉速；Md為主機輸出扭矩，為主機輸出功率；M為軸sf系的摩擦力矩M(f)=f(n)，結合經驗將其估算為螺旋槳負載力矩的 10%；Mp為螺旋槳的阻力矩，N·m；i為傳動裝置的減速比，i=ns/n，本文中減速器的傳動比取 5.5。

2.2 柴油機系統模型

柴油機系統的物理模型主要由柴油機本體和減速器組成。根據柴油機原理，柴油機本體模型為：

式中：be為柴油機有效燃油消耗率；PS為柴油機有效功率；n為柴油機轉速；m為氣缸數目；gc為柴油機循環供油量；Hu為燃油的低熱值；ne為柴油機有效效率；ni為柴油機指示效率；nm為柴油機機械效率。

減速器數學模型較簡單，減速齒輪箱減速比為：

經過減速齒輪箱后主機輸出力矩為：

2.3 調速控制系統物理模型

柴油機調速系統由柴油機、電子調速器、噴油泵和供油機構組成（見圖 2）。

柴油機調速系統實現3個基本功能：

1）負荷增加，轉速下降，實現減速增油調節動作；

2）負荷減少，轉速上升，實現增速減油調節動作；

3）負荷不變，供油不變。

建立柴油機調速系統的數學模型，設執行器與輸出軸位移的傳遞函數為：

取拉普拉斯反變換：

式中：u為執行器的控制信號，這里是柴油機油門的開度；L為執行器的輸出軸位移；T1為執行器的時間常數；K1為控制增益常數。

為使調速器調節響應較迅速，調節時間短，反應敏捷，本文中調速器傳遞函數為[4]：

2.4 螺距控制系統物理模型

可調槳操作時，當控制臺發出的螺距設定信號與螺距反饋信號進行比較得出偏差，經過控制器的運算處理，按照一定規律輸出螺距調節控制信號，該信號驅動液壓動力裝置的電液比例閥，打開相應前進或倒退油路，控制調距機構調節螺距。

液壓動力裝置由油箱和伺服油泵系統組成。調距操作時啟動油泵，伺服油壓力調節閥保證最小的伺服油壓力，安全閥設定系統的最大壓力，液控單向閥保證螺距在伺服油中斷情況下保持螺距穩定不變。

伺服油系統主要由伺服油泵、控制閥、油箱和管件組成。高壓油由一個伺服油泵傳動到高壓濾器，經過由單向閥、安全閥、壓力調節閥和電控比例閥組成的閥裝置，從比例閥出來的伺服油流入油分配器，油分配器出來的高壓油經過液控雙單向閥到伺服活塞的一側，從另一側流出。

螺距調節機構的傳遞函數為：

3 基于 Simulink 搭建系統模型

根據船槳系統數學模型，包含螺旋槳的淌水推力公式和水力矩公式，船舶運行動力學方程和運動學方程，結合推力系數、扭矩系數與螺旋槳進程比、螺距比的關系[5]，在 Matlab 平臺上利用 Simulink 進行模型搭建如圖 4 所示。

對于船用柴油機而言，在額定工況下指示效率一般取 0.43～0.50，機械效率一般近似取值 0.85～0.90。根據柴油機系統數學模型，搭建仿真模型如圖 5 所示。

調速器與主機一起構成主機轉速自動控制系統，調速器根據柴油機負載變化自動調節噴油泵的供油量，調速器仿真模型是推進系統建模及仿真研究中很重要的一部分，主機轉速調節值由推進控制系統仿真輸出，調速系統輸出得循環供油量[6-8]，具體 Simulink模型如圖 6 所示。

螺距調節值匹配調節機構傳遞函數，最終實現螺距值輸出，如圖 7 所示。

4 可調槳螺距模糊 PID 控制器設計

對于船舶推進控制系統，由駕駛臺發出車鐘指令，采集實際船速和實際螺距，根據柴油機負荷曲線獲取當下最佳主機轉速和螺距值，運用模糊控制理論設計模糊控制器，實現 PID 參數在線整定[9]，最終輸出主機轉速調節值和螺距調節值。

模糊控制器檢測到螺距角設定值H0，經過螺距反饋裝置獲取螺距角H實際值，兩者比較分別計算出螺距角偏差值e及其變化率ec。通過模糊控制規則推理，合成運算，模糊判決得到實際螺距調節值，從而控制伺服閥，驅動調距槳液壓裝置和機械裝置，實現變螺距調節。模糊控制理論要求將輸入變量偏差e和偏差變化率ec量化到模糊論域并劃分為 13 個等級，模糊論域為 {- 6，- 5，- 4，- 3，- 2，- 1，0，1，2，3，4，5，6}。選擇隸屬度函數時，需要考慮很多因素，例如隸屬函數的形狀，模糊編輯器中隸屬度函數曲線有三角形、鐘形、階躍型好正弦型等[10]，這里輸入變量偏差e、偏差變化率ec和輸出變量 △H隸屬度如表 1～表 3 所示：

經過 Matlab 程序離線計算得到模糊控制器輸出控制變量 △KP、△KI和 △KD的值，這些數值組成了模糊控制器輸出控制量查詢表。根據模糊控制器輸出控制量查詢表，可以利用 S7-1200 編寫模糊 PID 控制器程序[11]，最終實現可調槳螺距的模糊 PID 控制器設計。

表1 偏差模糊集隸屬度Tab. 1 Membership of deviation fuzzy set

表2 偏差變化率模糊集隸屬度Tab. 2 Membership of deviation rate fuzzy set

表3 調節量模糊集隸屬度Tab. 3 Membership of controller output deviation fuzzy set

對于可調槳推進系統，通過控制手柄在 10 s 時刻給定1個螺距指令 10°，同時引入1個脈沖干擾信號。從效果圖 9 和圖 10 對比可看出，模糊 PID 控制穩定明顯性好于 PID 控制，但是其超調時間較久。指令發出后 PID 控制反應過渡時間為 0.8 s，實際槳角震蕩波峰值為 14.3°，模糊 PID 控制反應過渡時間為為 1.20 s，實際槳角震蕩波峰值為 11.8°。分析這種效果產生的原因，模糊 PID 控制是在 PID 控制器前面引入了模糊推理系統，經過輸入量偏差和偏差變化率的模糊化，模糊規則的推理，模糊判決的決斷和輸出量的去模糊化，實現 PID 控制參數在線整定，控制效果相對較好，但是因為這一系列過程的進行，使得整個控制過程反應時間相對較長。

在上述仿真過程中，模糊系統實現了 PID 控制參數P，I和D的在線整定，模糊推理機輸出量的控制曲線如圖 11 所示。螺距調節過程中，輸出量 △KP出現波動，先發生正跳變后發生負跳變，最后回歸穩定值；輸出量 △KI出現波動，先發生負跳變后發生正跳變，最后回歸穩定值；輸出量 △KD基本無波動。

5 結 語

本文基于 Matlab 搭建可調槳推進系統仿真模型，設計用于調節螺距的模糊 PID 控制器，設計并進行相應實驗得到控制曲線和實驗數據。研究成果證實模糊PID 控制器對于螺距的控制精度和穩定性比之 PID 控制器更有優勢，且結構明確、實用、適應性更強，這為模糊 PID 控制理論在船舶可調槳上的應用提供了基礎。

模糊控制理論廣泛應用于汽車控制系統、機器人控制系統等，本文率先嘗試將模糊控制理論用于船舶螺距調節，并在仿真過程中模糊 PID 控制器具有較好的跟蹤性能和抗干擾能力，此研究促進船舶工業領域控制理論多樣化應用。

實現模糊 PID 控制需要準確合理地獲取 PID 參數的模糊校正規則，這需要進行精確離線仿真試驗和現場調整。本文不足之處，有待于進一步將本文研究成果轉化為實船應用，此為后續研究的切入點。

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Research on applying the fuzzy PID control theory to conrol the controllable pitch propeller

WANG Guo-jin, WANG Jiong, DAI Jin-peng, JIAN An-an
(Wuhan Haiwang Mechanical and Electronic Engineering Company, Wuhan 430074, China)

In view of the controllable pitch propulsion system driving by the diesel engine, it is necessary to establish appropriate motion models of paddle system, diesel engine system, speed control system and pitch control system from the angle of kinematics and dynamics. At the same time, the fuzzy PID controller is designed on the Matlab simulation platform by the fuzzy theory and PID theory. The corresponding pitch deviation, the deviation rate and pitch control output data are got to match the dynamic performance of controllable pitch propeller. A lookup table of the fuzzy controller output is got by offline simulation calculation. At last the fuzzy PID controller is designed completely. As to controllable pitch, the telegraph signal and pulse interference signal are given to do simulation experiment. The results confirm that the controlling jitter problem is avoided effectively with the fuzzy PID controller. Its controlling speed, accuracy and sensitivity are better than PID controller.

fuzzy PID control theory；Matlab simulation；controllable pitch propeller；motion model

TP391

A

1672 - 7619(2017)04 - 0100 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.020

2016 - 07 - 15；

2016 - 09 - 02

王國近(1989 - )，男，助理工程師，主要研究方向為船舶側推控制系統，船舶動力裝置等。