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基于双螺旋桨差动调节的双体船航向智能控制研究刘杨王开宇(哈尔滨工程大学自动化学院，邮编：150001)摘要：设计了基于双螺旋桨差动调节的双体船航向智能控制系统，通过系统辨别得到船舶航向运动的数学模型，并在该模型的基础上运用模糊控制算法，最后将得到的参数赋予双螺旋桨，同时通过双螺旋桨转速的差动控制，可以达到控制船舶艏摇运动。在系统运行过程中，不断检测航向角偏差的差值，若该值超出设定范围，则重新辨别模型，优化参数。对系统进行仿真，仿真结果表明，与基于单纯形法优化的PID控制系统相比，该系统对于海情的变化具有较好的自适应能力。该系统简单易于实现，具有工程应用价值。关键词：双螺旋桨推进；航向保持；模糊控制Abstract:Theintelligentcontrolofcatamaranbasedonthedifferentialcontroltodoublepropellersisdesigned.Thecatamarandynamicmodelwasacquiredbysystemidentification.Thealgorithmoffuzzycontrolwasperformed,andtheparametersweregiventothedoublepropellers,thedifferentialcontroltodoublepropellersisproposedtoformyawingcontrolmomenttocontrolthecatamarancourse.Whenthesystemran,thestandarddeviationofyaw-angelerrorwascalculated.Ifthevalueofstandarddeviationoversteppedtheenactedbound,thedynamicmodelshouldbeidentified,andthePIDoptimizedbysimplexmethod,thissystemhadgoodadaptiveabilityforthevarietyofoceancondition.Thissystemissimpleandfeasible,andithastheengineeringapplicationvalue.Keywords:propulsionwithdoublepropellers;coursekeeping;fuzzycontrol引言近年来，双体船由于良好的操纵性，阻力峰不明显、装载量大等特点在当今船舶行业得到了广泛的关注。本文根据某型双体船采用双螺旋桨作为其动力系统，提出一种基于双螺旋桨差动调节的双体船航向智能控制方法。通过引入航向误差检测环节、系统辨别环节和模糊控制，是双体船航向保持自适应的状态。仿真结果表明，本文所设计的双螺旋桨差动调节航向智能控制系统控制效果良好，对海情的变化具有较好的适应能力。1双体船航向运动非线性模型对于在水面内运动的双体船，当在预定的航线上做小偏差运动时，纵向与横向运动耦合作用不大，可认为其纵向运动与横向运动相互独立，其横荡和首摇运动模型如式所示：其中和风别为海浪、海风及海流等扰动形成的干扰力和干扰力矩；为双体船面绕轴的转动惯量；为偏航首摇角度；为横荡速度；双体船质量。考虑到本论文讨论的是一种基于双螺旋桨的航向差动控制，这里对上述模型式(1)进行了进一步的简化处理，将由舵角产生的控制力和控制力矩改为由双螺旋桨差动形成的控制力和控制力矩代替；另外考虑在静水条件下，忽略海浪、海风和海流产生的扰动力、扰动力矩。则式(1)可描述为：(1)其中分别为双螺旋桨转速差异引起的横荡力、首摇力矩系数。为双螺旋桨的转速差值。关于水动力系数的估算方法参见文献[1],海浪干扰力（力矩）的计算参见文献[2]。2双螺旋桨动力学模型由于双体船宽度比一般船舶要宽，吃水也较一般船舶浅，所以根据它的特点，采用了双螺旋桨推进系统。螺旋桨的动力学特性可用式(2)、(3)表示。(2)(3)式中：为水的密度；D为螺旋桨桨径；为螺旋桨阻力系数；为螺旋桨推力系数；为螺旋桨转速。考虑两个螺旋桨，若两螺旋桨转速不同，则两个螺旋桨的推力不同，从而能够进行船体航向的调整，其产生的推力与航速的关系如下：(4)(5)则相对艏摇，两螺旋桨形成的控制双体船航向的控制力矩有如下关系：(6)(7)式中：为船的速度；为两螺旋桨产生艏摇力矩对应的力臂；为螺旋桨1产生的推力；为螺旋桨2产生的推力。3控制系统设计双体船航向智能控制系统如图1所示。两个螺旋桨是两个相互独立的控制机构，双螺旋桨分配单元包含双螺旋桨智能优化分配规则。在系统运行过程中，模糊控制器计算出所需的扶正力矩值，双螺旋桨分配单元根据该值实时的计算出所需的两个螺旋桨的转速。图1双体船航向智能控制系统框图(1)定义输入输出变量本文设计双体船航向模糊控制器，根据自动舵的工作原理，通过传感器测量可以得到船舶的航向角，因此可以选择航向...