0 减摇鳍功性概述
    船舶遇风浪产生横摇时，对船舶航行的安全性、适航性、操纵性、船上设备的使用效率、船上人员的舒适性和货物的安全性影响很大。从20世纪初，人们就寻求各种减摇装置如舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱和舵减摇装置等。减摇鳍是目前应用最为广泛、最为常用的主动式横摇减摇设备，它是现代仿生学与控制理论的结合，是在船舶工程中的一个成功的应用事例。船舶减摇鳍采用主动方式控制鳍产生扶正力矩，抵抗海浪的横摇力矩来达到减摇目的。
1 船舶减摇鳍布局及主要技术指标[3]
    减摇鳍一般分为收放式和不可收放式两种，根据不同船舶对减摇能力的需要，可用一对或者两对。每个鳍侧伸于舷外，大致和船舶舭龙骨在一条直线上。减摇鳍的其他舱内设备，机械组合体和液压控制装置一般设在机舱内，若两对鳍则前对在前辅机舱，后对在后辅机舱，若一对鳍则在主机舱的前壁两侧，电控部分一般布置在主机集控室内。
    船用减摇鳍作为一种船用设备，必须具有一定的技术性能，量化后就是技术指标，其减摇指标大体上主要分为两类：一类是衡量减摇能力的定量指标：单鳍面积及其在设计航速下的升力、左右鳍各自取正负最大攻角产生最大升力的船倾角度和生摇能力。另一类是衡量减摇效果的定量指标：减摇倍数、减摇效率（减摇鳍将船舶横摇角减小的百分数）、鳍工作后船舶的剩余横摇角大小。
2 船舶减摇鳍系统减摇工况运行原理
2. 1减摇鳍工作原理[2]
    减摇鳍是减小船舶横摇的一种有效装置，它采用力矩对抗原理设计。当船以某一航速航行时，鳍转动一角度，垂直鳍面产生升力，形成扶正力矩，从而达到减摇的目的。当系统工作于减摇状态时，船舶受波浪干扰力矩的作用而摇摆，布置在减摇鳍控制室的角速度传感器测出船的横摇角速度，以电压的形式输出到控制箱中的前置放大器，经过放大计算后得到转鳍主令信号，分别馈送到各个独立的电液随动系统，随动系统将电的主令信号转化为鳍的转角，在流体动力的作用下，由鳍产生的稳定力矩去反抗波浪力矩，以达到减小船舶的横摇。计程仪将船舶的航速测出来送到控制箱中的航速调节插件，它自动地进行航速灵敏度调节，当航速超过设计航速时，自动降低灵敏度从而减小鳍的转角。系统工况原理如下图1所示：

    图1   船舶减摇鳍系统减摇工况运行原理框图
2.2 环节模型处理[4]
2.2.1 船舶的横摇模型
船舶的摇摆运动主要由海浪引起，如果横摇运动角度较小，可以应用线性横摇理论来分析船舶的横摇运动 ，由单自由度Conolly模型，船舶的横摇方程可以表示为：
          （1）
式中φ为横摇角，Ix和ΔIx分别为相对于船舶重心纵轴的质量惯性矩（转动惯量）和附加质量惯性矩（附加转动惯量），2Nμ为单位横摇角速度的船舶阻尼力矩（横摇阻尼系数），D为船舶排水量，h为横摇稳心高， 为有效波倾角。
2.2.2 角速度传感器模型
    角速度陀螺是控制系统中的测量元件，测量航行中的船舶角速度信号，以电压信号输出，其线性度较好，所以可做线性元件处理。角速度传感器对船的横摇角传递函数为：为角速度传感器的放大比例系数           （2）
某船舶传感器数学模型为
2.2.3  电液随动系统：
    由于转动减摇鳍需要很大的力矩，因此减摇鳍系统的随动系统采用液压驱动，数学模型近似为二阶振荡环节．传递函数为：（3），
式中：ws为随动系统的固有频率 (s^-1)；n_s为随动系统的阻尼系数（kg?s/cm）。
2.2.4船舶横摇传递函数
    由线性横摇运动数学模型可知：船对海浪波倾角的传递函数为：式中：Ｔφ为船舶横摇的固有周期(s)；n_μ为无因次阻尼衰减系数。将某一船型参数代入得：（4）
2.2.5鳍角到波倾角的转换系数:
    式中：：Kα为鳍角到波倾角的转换系数，该系数实际与很多因素有关，作系统分析时，我们设为静态。Kα=0.2564          （5）
2.2.6 航速调节器
    由于鳍产生的扶正力矩与船航速的平方成正比，当航速过快时,鳍产生的扶正力矩很大,此时系统的开环增益加大,稳定性降低,故需要采取一定的措施,限制系统的开环增益.对于不同的航速调整最大鳍角θ_max,,使鳍产生的最大扶正力矩保持在设定值.航速调节器的调节规律为：
当V小于6节时，β_max(v)=0；
当V大于6节小于V0时，β_max(v)= β_m0
当V大于V0时，β_max(v)=V₀β_m0/V
3船舶减摇鳍系统控制技术
    减摇鳍设计好之后，提高鳍的减摇效果完全取决于控制规律的选择。在实际船舶减摇鳍系统中，目前经典PID控制仍是最常用的控制规律，其方法简单，鲁棒性强，可以在特定的船舶参数和特定的使用工况下，使减摇鳍装置具有满意的减摇效果。但由于船舶是一个高度复杂、不确定和非线性严重的系统，当船舶的横摇阻尼或横摇周期发生变化时，或当浪向与船舶航行的夹角发生变化等情况时，经典的PID控制方法就不能获得满意的减摇效果。随着控制科学的发展，船舶减摇鳍控制策略的发展已经从经典控制理论，现代控制理论进入智能控制理论研究的阶段，本文即阐述比数学PID控制方法更为高级的模糊智能控制方法。
    PID控制器以其结构简单、工作性能稳定以及控制精度高等特点，己经广泛应用于各种自动控制系统中。但是，其高精度的控制效果依赖于控制对象模型的精确性。在实际系统中，常常无法获得控制对象的精确数学模型，有的系统具有时变性、非线性，有的系统存在随机干扰等，比较难达到预期的效果。由于船舶横摇运动严重的非线性和时变性及复杂的力学机理，建立精确的数学模型是困难的，并且在不同的海况下其数学模型是变化的，比如在船舶横摇角度较小时，可以用线性的模型描述，但是对于大角度横摇，许多非线性的因素就比较突出了。针对船舶横摇这种无法获得精确数学模型、并具有严重非线性的时变系统，将模糊控制应用于其上以提高控制效果是有必要的[6]。
3.1 PID控制器
PID控制是一种简单的控制方法，其传递函数为：式中：为船舶横摇角速度，为控制器的输出；K_P，K_I，K_D为PID控制器的比例、积分和微分系数。
理论上，K_P，K_I，K_D显然与船舶的横摇参数ω、υ 及减摇鳍伺服控制系统参数有关。但实际选择是很困难的，需要掌握大量的实船实验数据才可能得到船舶在各种横摇干扰频率下的最佳减摇效果，因为微分高次谐波往往引起鳍的不规则振荡，PID与船舶的自然横摇周期及无因次横摇衰减系数有很大的关系。一旦由于船舶装载量和上层建筑的更改等因素的变化，鳍横摇周期、衰减系数、不同浪向和频率等发生变化，PID就很难实现其最优控制，达不到预期的减摇效果。

3.2 模糊逻辑控制[5]
自1965年美国L.A.Zadeh教授发表了著名的“Fuzzy Sets”论文以来，模糊集理论及应用研究不断深入，在控制领域形成了一门新技术――模糊控制。模糊控制具有不依赖被控对象的精确数学模型、设计简单、应用灵活、鲁棒性强等特点，在经典和现代控制理论难以应用的场合发挥了很大的作用。
模糊(fuzzy)控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为基础;采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。因此，模糊控制系统的组成具有常规计算机控制系统的结构形式，模糊控制系统结构如图2所示：
3.3 模糊控制器的设计
减摇鳍模糊控制器的设计采用双输入、单输出系统．输入量为横摇角φ和横摇角速度，输出量为控制随动系统的电压信号u_α；横摇角φ和横摇角速度经量化以后分别得到的e和ec；均采用7个模糊子集｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，论域[-3，3]，经模糊推理得到的结果du经量化后得到uα,du的模糊子集为｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，其论域同样为［-3，3］．输入量和输出量均采用三角形分布隶属函数．
（3.3.1）从以往的减摇鳍控制中可以总结出一些经验规则：
    （l）如果船往左边偏一个较大的角度，角速度向左边较大,则减摇鳍的鳍角向右边打一个大的角度．
    （2）如果船向左边偏一个较大的角度，角速度向右边小，则减摇鳍不对它加以控制．
    （3）如果船向左边偏一个小的角度，而且角速度也向左较大，则减摇鳍的鳍角向右打一个较大的角度．
……………
    总之，确定控制量的原则是：当误差横摇角φ较大时，取uα较大值以尽快消除误差,当误差较小时，uα取较小值以防止超调。根据上述设计思想将经验规则列表如下（见表1）
模糊控制规则表1