第4期 于立君，等：基于遗传算法的减摇鳍系统能量优化 ·433· 角速度传感器是船舶航行中减摇鳍系统横摇角速度 围内时，可以减小船舶的粘性阻力和破浪阻力，有利 的测量元件。角速度传感器传递函数为 于提高主机功率，降低燃油消耗，增加航速，节约成 400s 本。因此，减摇鳍系统要综合考虑横摇角范围。从 G.(s)= s2+80s+4000 控制效果和稳定性来说，横摇角越小越好。横摇角 NJ5减摇鳍模型中前置放大器传递函数为 方差推导过程如下。 K。 由图1知，以等效波倾角α(s)为输入，以横摇 G,(s)=(30s+1)(0.056s+1） 角p(s)为输出的系统传递函数为 式中K,为可调增益。 (s)=(s) a(s) - 根据随机过程理论，船舶减摇鳍控制系统横摇角 谱为 S.(w.)=|Φ(jw)2·S(w.) …水kk5 式中：S(ω.)为船舶横摇角谱密度，S(w)为海浪 此：利 等效波倾角谱密度，Φ(Gjω)为综合减摇系统开环传 递函数。 图1减摇鳍控制系统框图 Fig.1 The fin stabilizer system block diagram 于是，减摇后船舶横摇角方差为 在实际工程应用中减摇鳍系统主要采用PID a。2=1/2mS.(w.)dw.= 控制，它直接决定系统综合性能指标好坏，即减摇效 果和能量优化。PID控制器传递函数)为 1/2n[(jo)P.S.(o.)do 0.064sK0 K 所以第1个目标函数为 GPID(s)=Kp (0.064s+1)(0.18s+1)24.607s+1 =10.2 (1) 式中：σ。2为减摇后船舶横摇角方差，入，为加权系数。 在设定航速和海情下通常将浪级调节器和航速 2.2减摇鳍鳍角方差的计算 调节器设置为 减摇鳍系统能量优化和使用寿命也是需要考虑 G(s)=G(S)=1 的问题。当减摇鳍鳍角增大到一定程度时，流过鳍 随动系统在能量优化性能指标中具有重要作 的流体就不能沿着鳍的表面而是离开鳍流动，此时 用，由于随动系统驱动减摇鳍定轴转动需要消耗大 鳍失速，并损耗鳍上的部分升力6)。从而影响减 量能量，尤其当鳍面积越大，能量消耗越多。减摇鳍 摇效果和随动系统的转鳍功率。所以最大工作鳍角 的随动系统常常采用电液系统，数学模型可近似表 是有一定限度的，并且鳍角幅值服从瑞利分布。于 示为二阶振荡环节，随动系统传递函数为 是，减摇鳍鳍角中超过鳍角中的概率p可表示为 550 G,(s)= p(中>中r）=exp(-中mn2/2o2) 2+15s+225 实际工程应用中，最大鳍角中取22°，鳍角饱 K。由很多因素决定，为研究方便常常将其近似 和率一般不会大于20%[1，将p=20%,中m=22° 为常量。对NJ5减摇鳍模型，当最大鳍角山取 代入式(2)可计算出此时鳍角方差σ.2=150.31。 22°时，鳍角到波倾角的转换系数为K。=0.256,船 因此，第2个目标函数为 舶横摇运动传递函数为 J2=入2(02-150.31)2 (2) G(s)= 式中：σ2为鳍角方差；入2为加权系数。 1.43242s2+0.3796s+1 由图1可知，以等效波倾角为输入，鳍角为输出 2减摇鳍系统性能指标的建立 的传递函数为 2.1船舶横摇角方差分析及计算 (s)=(s a(s) 当船舶在波浪作用下剧烈摇摆时，将降低主机 以等效波倾角为输入，鳍角速率为输出的传递 功率，同时也降低航速，因此减摇鳍系统能量优化和 函数： 减摇效果必须首先考虑未减摇时船舶横摇角以及减 摇后横摇角。实际工程应用表明，横摇角在一定范 中(s)=()，1 Γa(s)s角速度传感器是船舶航行中减摇鳍系统横摇角速度 的测量元件遥 角速度传感器传递函数为 郧则 渊泽冤 越 源园园泽 泽 圆 垣 愿园泽 垣 源 园园园 晕允缘 减摇鳍模型中前置放大器传递函数为 郧择渊泽冤 越 运择 渊猿园泽 垣 员冤渊园援园缘远泽 垣 员冤 式中 运择 为可调增益遥 图 员摇 减摇鳍控制系统框图 云蚤早援员摇 栽澡藻 枣蚤灶 泽贼葬遭蚤造蚤扎藻则 泽赠泽贼藻皂 遭造燥糟噪 凿蚤葬早则葬皂 在实际工程应用中减摇鳍系统主要采用 孕陨阅 控制袁它直接决定系统综合性能指标好坏袁即减摇效 果和能量优化遥 孕陨阅 控制器传递函数咱缘暂为 郧孕陨阅渊泽冤 越 运孕 垣 园援园远源泽运阅 渊园援园远源泽 垣 员冤渊园援员愿泽 垣 员冤 垣 运陨 圆源援远园苑泽 垣 员 渊员冤 摇 摇 在设定航速和海情下通常将浪级调节器和航速 调节器设置为 郧澡渊泽冤 越 郧造 渊杂冤 越 员 摇 摇 随动系统在能量优化性能指标中具有重要作 用袁由于随动系统驱动减摇鳍定轴转动需要消耗大 量能量袁尤其当鳍面积越大袁能量消耗越多遥 减摇鳍 的随动系统常常采用电液系统袁数学模型可近似表 示为二阶振荡环节袁随动系统传递函数为 郧泽 渊泽冤 越 缘缘园 泽 圆 垣 员缘泽 垣 圆圆缘 摇 摇 运琢 由很多因素决定袁为研究方便常常将其近似 为常量遥 对 晕允缘 减摇鳍模型袁当最大鳍角 鬃皂葬曾 取 圆圆毅 时袁鳍角到波倾角的转换系数为 运琢 越 园援圆缘远袁船 舶横摇运动传递函数为 郧渍渊泽冤 越 员 员援源猿圆 源圆 泽 圆 垣 园援猿苑怨 远泽 垣 员 圆摇 减摇鳍系统性能指标的建立 圆援员摇 船舶横摇角方差分析及计算 当船舶在波浪作用下剧烈摇摆时袁将降低主机 功率袁同时也降低航速袁因此减摇鳍系统能量优化和 减摇效果必须首先考虑未减摇时船舶横摇角以及减 摇后横摇角遥 实际工程应用表明袁横摇角在一定范 围内时袁可以减小船舶的粘性阻力和破浪阻力袁有利 于提高主机功率袁降低燃油消耗袁增加航速袁节约成 本遥 因此袁减摇鳍系统要综合考虑横摇角范围遥 从 控制效果和稳定性来说袁横摇角越小越好遥 横摇角 方差推导过程如下遥 由图 员 知袁以等效波倾角 琢渊泽冤 为输入袁以横摇 角 渍渊泽冤 为输出的系统传递函数为 椎渊泽冤 越 渍渊泽冤 琢渊泽冤 摇 摇 根据随机过程理论袁船舶减摇鳍控制系统横摇角 谱为 杂渍渊棕藻冤 越 椎渊躁棕冤 圆 窑杂葬憎渊棕藻冤 式中院 杂渍渊棕藻冤 为船舶横摇角谱密度袁 杂葬憎渊棕冤 为海浪 等效波倾角谱密度袁 椎渊躁棕冤 为综合减摇系统开环传 递函数遥 于是袁减摇后船舶横摇角方差为 滓渍 圆 越 员 辕 圆仔 乙  园 杂渍渊棕藻冤 凿 棕藻 越 员 辕 圆仔 乙  园 椎渊躁棕冤 圆 窑杂琢憎渊棕藻冤 凿 棕 所以第 员 个目标函数为 允员 越 姿员滓渍 圆 式中院 滓渍 圆 为减摇后船舶横摇角方差袁 姿员 为加权系数遥 圆援圆摇 减摇鳍鳍角方差的计算 减摇鳍系统能量优化和使用寿命也是需要考虑 的问题遥 当减摇鳍鳍角增大到一定程度时袁流过鳍 的流体就不能沿着鳍的表面而是离开鳍流动袁此时 鳍失速袁并损耗鳍上的部分升力咱远鄄愿暂 遥 从而影响减 摇效果和随动系统的转鳍功率遥 所以最大工作鳍角 是有一定限度的袁并且鳍角幅值服从瑞利分布遥 于 是袁减摇鳍鳍角 鬃 超过鳍角 鬃皂葬曾 的概率 责 可表示为 责渊鬃跃鬃皂葬曾冤 越 藻曾责渊鄄鬃皂葬曾 圆 辕 圆滓鬃 圆 冤 摇 摇 实际工程应用中袁最大鳍角 鬃皂葬曾 取 圆圆毅 袁鳍角饱 和率一般不会大于 圆园豫 咱怨暂 袁将 责 越 圆园豫 袁 鬃皂葬曾 越 圆圆毅 代入式渊 圆冤 可计算出此时鳍角方差 滓鬃 圆 越 员缘园援猿员遥 因此袁第 圆 个目标函数为 允圆 越 姿圆 渊滓鬃 圆 原 员缘园援猿员冤圆 渊圆冤 式中院 滓鬃 圆 为鳍角方差曰 姿圆 为加权系数遥 由图 员 可知袁以等效波倾角为输入袁鳍角为输出 的传递函数为 椎鬃渊泽冤 越 鬃渊泽冤 琢渊泽冤 摇 摇 以等效波倾角为输入袁鳍角速率为输出的传递 函数院 椎泽鬃渊泽冤 越 鬃渊泽冤 琢渊泽冤 窑 员 泽 第 源 期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 于立君袁等院基于遗传算法的减摇鳍系统能量优化 窑源猿猿窑