基于閉環增益成形算法的船舶減搖鰭控制器設計與分析

張濤 關巍 蘇作靖 任志浩

摘要：為增強船舶橫搖穩定性，并對其物理本質特性進行深入研究，以工程應用需求為基礎，設計一種基于閉環增益成形算法的簡捷、高效、魯棒性強的減搖鰭控制器。首次采用李雅普諾夫穩定性理論對該控制器進行穩定性分析并給出其穩定的充要條件。將規則波和多向不規則波作為外界干擾對該控制器進行MATLAB仿真，驗證該控制器的有效性。結果表明，該控制器設計過程簡單，控制參數物理意義明確，減搖效果良好，具有十分良好的工程應用潛力。

關鍵詞： 船舶; 減搖鰭; 閉環增益成形; 李雅普諾夫穩定理論

中圖分類號： U664.7+2 ? ?文獻標志碼： A

Abstract： In order to enhance the ship roll stability and study its physical properties deeply， a simple， efficient and robust fin stabilizer controller based on the closed-loop gain shaping algorithm is designed based on the engineering application requirements. The stability of the controller is analyzed by the Lyapunov stability theory for the first time， and the necessary and sufficient conditions for its stability are given. In order to verify the effectiveness of the controller， the simulation on the controller by MATLAB is carried out with the consideration of external disturbance produced by regular waves and multi-directional irregular waves. The results show that the controller is of simple design process， clear physical meaning of control parameters， good anti-rolling effect and good engineering application potential.

Key words： ship; fin stabilizer; closed-loop gain shaping; Lyapunov stability theory

由于船舶的橫搖運動阻尼較小，船舶在受到風、浪等的影響時極易產生劇烈的橫搖運動。橫搖幅度過大會影響船舶的工作效率和航行安全，因此如何提高船舶橫搖穩定性是當前船舶控制領域的研究熱點之一。

減搖鰭被公認是最好的主動式減搖設備，其減搖效果與采用的控制策略密切相關。很多學者提出了不同的減搖鰭控制策略，其中應用最為廣泛的是PID控制策略[1]。PID減搖鰭控制器具有設計簡單、可靠等優點。金鴻章等[2]針對傳統PID減搖鰭控制器不能在各種海況各種船舶運行狀態下保持最優的減搖性能，提出了一種變參數PID控制器，通過改變控制器參數優化不同情況下的減搖效果。為適應更多的船型以及不同的環境狀況，許多先進的控制策略被提出，如：楊鹽生等[3]提……