针对小水线面双体船（SWATH）的纵向运动稳定性问题，对某SWATH船设计了一种分数阶PIλDμ控制器。首先，在控制器设计过程中，引入ITAE准则获得分数阶PIλDμ控制器的优化参数，并以类似方式得到优化参数的最优PID控制器。然后，以SWATH船为研究对象，分别采用分数阶PIλDμ控制器和最优PID控制器对其等效Nomoto模型和考虑风浪干扰后的模型进行仿真研究。最后，对它们的控制性能及控制能量消耗进行比对分析。通过分析发现，本文所提出的分数阶PIλDμ控制器的控制效果明显优于最优PID控制器，且分数阶PIλDμ控制器更为节能。
Aiming at the stability problem of the control of the longitudinal motion of small waterplane area twin hull ship (SWATH), a Fractional-Order Proportional Integral Derivative (FOPID) controller is designed for a SWATH ship. Firstly, the integrated product of time and absolute error standard (ITAE) is adopted to optimize the parameters of FOPID controller in the design process of the controller, and the optimal PID controller parameters are obtained by a similar optimization method. Then, taking the SWATH ship as the research object, the equivalent Nomoto model and the model considering wind and wave interferences are simulated, using FOPID controller and optimal PID controller respectively. Finally, their control performance and control energy consumption are compared and analyzed. It is found that the control performance of the FOPID controller proposed in this paper is obviously better than that of the optimal PID controller, and the FOPID controller has the characteristics of more energy saving.
2021,43(2): 58-62 收稿日期：2019-12-02
DOI：10.3404/j.issn.1672-7649.2021.02.012
分类号：U674
基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目(20180550362)；大连市科技创新基金资助项目(2017RQ065)；中央高校基本科研业务费(3132019133，3132019350)
作者简介：白春江(1980-),男,硕士,讲师,从事航海技术、交通运输工程及控制以及航海气象学与海洋学研究
参考文献：
[1] 林伟国, 朱云翔, 范井峰, 等. 小水线面双体船的发展及在海军舰船领域中的应用前景[J]. 船舶, 2007, 19(3): 1-5
LIN Wei-guo, ZHU Yun-xiang, FAN Jing-feng, et al. Development of smallwaterplane area tw in hull and its application prospect in navy[J]. Ship and Boat, 2007, 19(3): 1-5
[2] 马建文, 张安西, 周兆欣, 等. 小水线面双体船五自由度运动建模与仿真[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(2): 133-150
MA Jian-wen, ZHANG An-xi, ZHOU Zhao-xin, et al. Modeling and simulation of five DOF motions for SWATH ships[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(2): 133-150
[3] 孙小帅, 姚朝帮, 叶青. 小水线面双体船波浪中纵向运动性能模型试验研究[J]. 国防科技大学学报, 2017, 39(4): 161-167
SUN Xiao-shuai, YAO Chao-bang, YE Qing. Experimental investigation on the seakeeping performance of small waterplane area twin hull in head waves[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2017, 39(4): 161-167
[4] 张显库. 船舶控制系统[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2010.
[5] 何懋华, 孙树民. 小水线面双体船纵向运动稳定性研究进展[J]. 广东造船, 2012, 31(5): 55-59
[6] 林政, 毛筱菲. 小水线面双体船的纵向运动稳定性研究[J]. 船海工程, 2010, 39(2): 54-57
[7] 邬婷, 程红蓉, 苗飞, 等. SWATH 纵向运动稳定性分析与航行姿态控制研究[J]. 中国造船, 2017, 58(4): 91-99
WU Ting, CHENG Hong-rong, MIAO Fei, et al. Stability of longitudinal motion and control of voyage gesture of SWATH[J]. Shipbuilding of China, 2017, 58(4): 91-99
[8] 高占胜, 蔡烽, 侯建军. 鳍参数对某型SWATH船纵向运动稳定性的影响分析[J]. 船舶工程, 2014, 36(2): 30-33
[9] 邓磊, 董文才, 姚朝帮. 顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析[J]. 舰船科学技术, 2016, 38(8): 5-10
DENG Lei, DONG Wen-cai, YAO Chao-bang. Numerical study on characteristics of SWATH ship longitudinal motions in regular head waves[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(8): 5-10
[10] 熊文海, 周振路, 陈力. 基于细长体理论的小水线面双体船操纵性预报[J]. 中国航海, 2007(4): 9-12
[11] 王虎军, 贾鹤鸣. 基于扩张状态观测器的小水线面双体船终端滑模控制[J]. 船舶工程, 2014, 36(5): 81-85
[12] 梁利华, 王保华, 贾鹤鸣. 基于干扰观测器的SWATH船运动非线性预测控制[J]. 控制与决策, 2014, 29(3): 431-436
[13] 叶志洲, 姚华利, 孙洪飞. 基于自抗扰控制的SWATH船纵向运动控制[J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2014, 53(2): 190-195
[14] 周鑫华, 邱贝贝. SWATH船纵向运动的区域极点配置LQ最优控制研究[J]. 淮海工学院学报 (自然科学版), 2019, 28(1): 37-40
[15] 李光宇, 郭晨, 李延新. 基于改进粒子群算法的USV航向分数阶控制[J]. 系统工程与电子技术, 2014, 36(6): 1146-1151
[16] FAIEGHI M R, NADERI M, JALALI A A. Design of Fractional-Order PID for ship roll motion control using chaos embedded PSO algorithm[C]// 2nd International Conference on Control, Instrumentation and Automation (ICCIA). IEEE, 2011: 606−610.
[17] 李志民, 孙其振, 孙勇, 等. 基于BF-PSO的船舶电站柴油机分数阶控制器[J]. 控制工程, 2012, 19(3): 515-518
[18] 赵健, 白春江, 章文俊. 水下潜器姿态角的分数阶 PID 控制研究[J]. 舰船科学技术, 2016, 38(21): 129-132
[19] Concepción A. MONJE, YangQuan CHEN, Blas M. VINAGRE, et al. Fractional-order systems and controls fundamentals and applications[M]. New York: Springer Press, 2010.
[20] 薛定宇. 分数阶微积分学与分数阶控制[M]. 北京: 科学出版社, 2018.
[21] I. PODLUBNY, L. DORCAK, I. KOSTIAL. On fractional derivatives, Fractional-Order dynamic systems and PIλDμ controllers[C]// 36th Conference on Decision & Control, San Diego, USA, 1997.
[22] 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计−Matlab语言与应用(第3版)[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012.
[23] 张显库, 杨光平, 张强. 一种双极性S函数修饰的非线性船舶航向保持算法[J]. 大连海事大学学报, 2016, 42(3): 15-19
