舰船液压起重机波浪补偿消摆控制技术研究

第３９卷第１期　２０１７年１月　舰船科学技术　

ＳＨＩＰ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮｏＬ０ＧＹ　ＶＯ１．３９．Ｎｏ．１　

Ｊａｎ．，２０１７　

舰船液压起重机波浪补偿消摆控制技术研究　蔡冬林　（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通２２６０１０）　

摘　要：舰船上的液压起重机工作在动态颠簸过程中，很容易受到波浪的影响造成摇摆。为此提出一种小区　域分区进化算法来解决舰船液压起重机波浪补偿消摆控制问题。在控制算法中引入排挤因子，利用控制数据中的相　互约束作用形成小的控制单元，以此来提高收敛的速度，维持控制过程的快速性，保证控制精度。实验表明，这种　方法能够有效解决舰船液压起重机波浪补偿消摆控制问题，保证了船舶机械自动控制的准确性。　关键词：舰船液压起重机；波浪补偿；控制技术　中图分类号：Ｕ６６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—７６１９（２０１７）０１一Ｏ１Ｏ４—０５　ｄｏｉ：１Ｏ．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６１９．２０１７．０１．０２１　

Ｓｈｉｐ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｒａｎｅ　ｏｆ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｗａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ＣＡＩ　Ｄｏｎｇ—ｌｉｎ　（Ｎａｎｔｏｎｇ　Ｓｈｉｐｐｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎａｎｔｏｎｇ　２２６０１０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｒａｎｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｂｅ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ．Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ　ｎｅｗ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆｗａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｓｈｉｐ　ｈｙｄｒａｕｌ－　ｉｃ　ｃｒａｎｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｒｏｗｄｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｍｕｔｕａｌ　ｒｅ－　ｓｔｒａｉｎｔ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｍａｌｌ　ｕｎｉｔｓ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｓｐｅｅｄ，ｓｐｅｅｄ　ｔｏ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｗａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａ－　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎｔｉ　ｓｗｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｒａｎｅ，ａｎｄ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ’Ｓ　ｍａ—　ｃｈｉｎｅｒｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｒａｎｅ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｓ；ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

０　引　言　近年来，舰船用液压起重机的稳定控制问题，已　成为舰船科学中的最主要研究问题，其应用于船舶结　构工程、船舶水力工程、船舶设计工程与电子工程等　众多领域中…。其中，在其应用于船舶机械中自动控　制系统时，首先需要调节不同多个控制变量，如变压　器档位灯、发电机端的电压控制和并联电路时的电流　控制，变量调节完成后，为了保证控制过程的稳定性　和可靠性，还需采用多目标优化算法，寻求船舶稳定　控制的最优解。　但是，在一些机械设备的工作环境中，船舶的风　浪给机械设备的控制过程带来较大问题。控制过程的　多目标优化问题，是目前实现波浪补偿消摆控制的关　键问题。由于其多目标优化求解过程较为繁琐，且解　集往往存在不连续且分布不均匀等问题，因此难度远　高于单目标优化［２】。在优化的过程中，考虑到控制解　集的真实性，为实现解集尽可能的接近真实解，专家　学者已将研究目标转移到快速且高效的多目标优化算　法上【３　】。　根据实际需求可知，控制器输出端必须满足不同　海域风量条件下的目标动态最优，也就是所需解决波　浪补偿消摆控制多目标优化问题【５】。考虑到船舶机械　工程实际应用与需要，由于控制器输出端的各供电量　互不相同，导致求解容易出现分布不均匀的情况，加　大了多目标优化的难度【６］。在传统的船舶起重机设备　中，一般采用机械的数学规划法，将多目标优化问题　转化为单目标优化问题，然后采用加权的方式对其求　

收稿日期：２０１６—１０—０９；修回日期：２０１６～ｌ１—１　８　基金项目：南通市科技计划项目（ＧＹ１２０１５０３０）　作者简介：蔡冬林（１９７３一），男，硕士，副教授，研究方向为轮机工程。　第３９卷　蔡冬林：舰船液压起重机波浪补偿消摆控制技术研究　・１Ｏ５・　解，但这种方法只对选取的单目标有积极作用　］，对　其他目标的优化求解性能极其不理想；而且，若所需　优化多目标的分布并不均匀，则传统方法无法对其实　施求解过程，不能有效地求出并确定优化解集，得到　的优化结果不均匀，且与真实解集之间偏差过大，不　符合当今船舶机械工程实践中工程质量的要求，达不　到多目标优化效率及质量［８　ｏ】。　因此，针对传统方法存在的以上问题，为了实现　快速高效地控制舰船液压起重机波浪补偿消摆，使控　制优化解集更加接近真实解，本文提出一种小区域分　区进化算法，来解决舰船液压起重机波浪补偿消摆控　制问题。在控制算法中引入排挤因子，利用控制数据　中的相互约束作用，形成小的控制单元，以此来维持　控制过程的快速性，保证控制精度。实验表明，这种　方法能够有效解决舰船液压起重机波浪补偿消摆控制　问题，保证了船舶机械自动控制的准确性。　

１　舰船液压起重机波浪补偿消摆控制的目标函　数设计　

在舰船液压起重机的动态控制系统中，不同控制　站点之间并非毫无联系，当水流发生不同程度的颠波　时，会对控制过程造成一定影响，时间与颠簸程度之　间的非线性致使产生的影响也是非线性的，海洋颠簸　环境对控制过程产生的影响，会随着控制系统的运行　过程不断加大，由于两者之间的这种紧密的关系，使　得运作流程都会受到影响。如今，现有的舰船液压起　重机的动态控制系统，不能精准的表达出摆动与风浪　强度之间的关系，所以舰船液压起重机的动态控制系　统的多目标优化效率普遍偏低。利用不同设备之间的　非线性关系，对舰船液压起重机各个部分之间的相互　作用组建方程，对其进行表述，用这个方法来确保控　制系统运行的稳定，提高其精准度。　现假设在此舰船液压起重机稳定控制系统中的相　关设备的个数为ｎ个，在任意时间点或任意的时间段　内，波浪对船舶稳定性的影响，是从一侧冲击发起，　另一侧冲击结束，这一过程水的流量并不发生变化，　把设备之间相互影响的关系组建成一个非线性方程。　设第ｉ个站点的水流经量用Ｑｌ表示，其它设备冲击此　设备的水流量用ｒ　表示，冲击舰船液压起重机的水流　量用ｇｆ，表示，用Ｐ　，表示不同的设备之间压力。根据　舰船液压起重机两侧的水流量相等，且不发生变化，　则不同设备的水流量与系统管道之间的影响关系如　式（１）表示：　

∑懈＝∑ａ　，　ｆ＝ｌ　对液压起重机与风浪强度之间的关系进行分析研　究，可对其组建非线性方程：　

ｒｊ一∑ＥＰｉＩｓｇｎ（ｑｉｙ—ｑｊ　）ｌｑｉｊ—ｑｙｉｌ＝ａｆ，　ｉ＝１　Ｊ＝１　

如式（１）所示，将影响函数Ｇ（ｉ，Ｊ）表述成非　线性方程，完成相互之间影响的准确表述。　根据上述过程，完成了设备与风浪之间相互作用　的表述，可得到模型的限制范围，对系统的控制进一　步优化，式（３）为其优化目标函数：　

Ｐ＝　∑ｐｉｕｉｆｌ，　Ｕｉ－－Ｑ　ｉ－￣　ｓ．　广　

ＩＪ　。。’　

（３）ｍｉｎ　Ｃ　∑ｉ　ｆ—ｐ，）ａｉ＝０，　

ｒｉ一∑　．Ｐｉｊｓｇｎ（ｑｉｊ—ｑｊｉ）ｌｑｉｊ—ｑｊｉＩ＝ａｉ。　

式中，　为两个相反的状态，当　：０时表示站点关　闭，当　＝１表示风浪冲击模式开启。　是换算系数。　

２　小区域分区进化算法在舰船液压起重机波浪　补偿消摆控制中的应用　

小区域分区进化方法不同于传统算法对多目标问　题的求解过程，其通过一些分区来实现集合的完美分　布，进而优化求解多目标，以下是此实现此过程的具　体步骤。　２．１小区域分区进化方法的提出　小区域分区进化方法的核心是在一个固定特有的　相同自然环境里衍生而来的，成员为了能够长久的活　下来，他们就通过激烈竞争以得到生存所必要的东　西，小区域分区进化方法使用先进拥挤方法，令其他　的个体成员的必要条件都演变成自己的生存环境，利　用该方法增强自己生存能力。该方法的首要任务就是　假设各个个体ｆ，在某个目的函数条件下的适应度用ｄ　来描述，而且代表第ｉ个个体的小区域分区进化的个　数，相关值也代表个体ｆ的集合程度。值的具体计算　公式为：　

ｍｉ＝＞　ｓｈ［ｄ（ｉ，－，）】，　（４）　ｊＥ　Ｐ—ｏｐ　

式中，Ｐｏｐ为整个群体；ｄ（ｉ，Ｊ）为第ｉ个个体与第　个个体所形成的距离，同样可以描述为彼此的相近　度。除此之外，ｓｈ［ａ］函数的表示成：