TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5275 ~ 52 8 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.525 2          5275     Re cei v ed  No vem ber 3 0 , 2013; Re vi sed  Febr uary 10,  2014; Accept ed March 5, 2 014   Dynamic Sliding Mode Control of Ship Rudder-fin Joint  Nonlinear System      Han Yao z he Schoo l of Information Sci enc e and El ectric Engi neer in g, Shan do ng Jia o tong U n ivers i t y ,  Jinan, Ch in a   e-mail: h y z 125 @16 3 .com       A b st r a ct   In ord e r to r eal i z e  g o o d  track  keep ing  a nd r o ll re ducti on  of the s h ip  w h ile   navi gatin g. A  mu ltipl e   inp u t mu ltip le  output ru dd er-fin  contro l system  base d  o n  dyna mic s lid in mode alg o rit h m is  pro pose d .   Rud der-fin  jo in t system  no nli near  mathe m a t ical  mo de l is   establ ishe d. B e caus e th e d e s ign ed  dyn a mi slidi ng  mo de c ontrol l er make s slidin g vari ab les an d the der ivatives b e   z e r o , so it is essentially co ntin uo us   and c an e l i m i n ate traditi ona slidi ng  mode s   chatterin g   pro b l e m . Si mul a tio n  results sh ow  that w h ile ke ep ing   the co mman d track angl e the desi gne co ntrol system c an make the  avera ge rol l  a ngl e w i thin ±2 °a n d   reali z e  go od st abil i z a ti on effe ct.     Ke y w ords : ru dder-fi n  j o int  c ontrol,  dyn a m i c  slid in mo de , mu ltip le  in put  multi p le  o u tp ut no nli n e a r, s h ip   eng ine e ri ng.         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Rud der  roll  stabili zation  theory was  prop osed lo ng times ag o. The rudd er roll   stabili zation method requi res high stee ring spe ed  a nd  it’s contra dictory to rud der  stru cture, so   rudder and f i n joint roll  stabiliz ation was invented. Rudder-fin  j o int cont rol refers to m a ke  autopilot an d fin stabilizer  work togeth e r with fully  con s ide r ing the  couplin g effect  of roll and yaw.  The mai n  stabilization effect come s from fin stabili zer and  auto pilot has auxi liary stabilizat ion  effect. Rudde r-fin joint co ntrol method i m prove s   se a w orthi n e ss, safety and co mfortable n e s s [1,  2].  Re cently, ma ny schol ars  pay attention  to r udd er-fin  joint  cont rol  problem. P a per [3]  summ ari z ed   studie s  on rudde r-fin joi n t contro l bef o r e 200 8 whi c h mainly con c entrate on  PID   control, rob u s t co ntrol, predictiv e control etc. In [4], aiming at  hi gher  req u ire m ent of stee ring  gear vel o city , the given  comm and  of autopilot a n d  fin stabili zer a r e mo dified on li ne.  The   purp o se of  ru dder-fin j o int  roll  stabili zati on i s  real i z ed  within  promi s ed  course  e r ror.  LIU Y a n w en  [5] prop ose   H  metho d   based o n  p o sitive re aln e ss an d adj ust controller parameters  synthetically according to  desi gn resu lts. S liding  mode al gorit hm is  widely  applied i n  robot  control, indu strial co ntrol  a nd othe r field s  be ca us e of  its rob u stn e ss to  pa ram e ter pe rturbatio n,  un-m odel ed  dynamics  an d extern al di sturb a n c e. T he sli d ing  m ode i s  al so  use d  in  rolli ng  stabili zation  b y  som e   schol ars.  Aiming  a t  ship  no nline a r m odel  with  3 freed om,  Zhang  Bing  [6]  desi gne d a fuzzy slidin g mode for  rud der-fin co ntro l, but the detailed de sig n  pro c e ss i s  mi ssed   and th simul a tion a nalysi s  is  ro ugh.  Two different  sli d ing mode  controlle rs  i s  wa d e si gne in  [7]. A good ef fect for  cou r se ke epin g  an d roll  red u ctio n wa reali z e d , but gen etic algorith m  wa adopte d  and  made the wh ole cont rolle rs we re rath er compli cated.  Literature [8 ] propo sed si different triple  controllers in cludi ng PID a nd slid i ng mo de co ntrolle r. The sim u latio n  re sults  sho w   control  effe cts  a r e better to  autopil o t,  fin  stabili ze r and rud der  stabilize r  whe n   all  the   three   control m e th ods a r slidi ng m ode  con t rol, but th e mathemati c  model is line a r. What is  more   seri ou s i s  th at all the a b o ve slidi ng m ode  cont rolle rs fo rudd er or fin  stabili zation  exist g r eat   chatteri ng wh ich a c celerate damag e of rudd er o r  fin mech ani cal p a rts.    Gene rally,  the choi ce of  slidin g fun c tion  in  stand ard slidi ng mo de control  m e thod i s   relied  on  system state s  a nd ha no  re lation with  sy stem in puts,  su ch th at the  discontin uou items  in reaching  law will be  transf erred to control v a riabl e. System  states will  swit ch back and  forth u nde r di fferent  contro l logi cs which  ca use  the   chattering.  Dy namic  sliding  mod e  d o e s   not  only rely on  system state s ,  but also is  concern ed  wi th syste m  inp u t or its  high er de rivatives [9,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5275 – 52 83   5276 10]. So the  effect of discontinuo us te rm in re achin g  law i s  p a rt ly transfe r to  first or  high er   derivatives of  control in put and the  chattering i s  greatl y  alleviated.  Dynami c  sli d ing mod e  is applied  gra dually  in ma ny fields [11 ]. To the authors’  kno w le dge, d y namic  slidin g mode  co ntrol for  rud d e r -fin joint no nl inear  syste m  has  not be e n   studie d  in an y literature, such that the  prom i s in g theme is  studi ed in this p a per. A dyna mic  slidin g mod e   controlle r for  MIMO syste m  is de sig n e d  and  rud d e r -fin joint nonli near  mod e l with 4  freedo ms is  establi s h ed. The effective ness of  the prop osed co ntrolle r is verified by matlab   simulatio n . The ch attering  of steerin g an d fin stabilizer is greatly we ake ned.   The  re st of t h is  pap er i s   orga nized  as fo llows. In  section  2, Th e  dynami c   slid ing mo de  control alg o rit h m is  descri bed. Sectio 3 state s   the  ship  rud d e r-fi n  joint no nlin ear m a thema t ic   model. Simul a tions for  rud der-fin joint system is give n in se ction 4  and at last is the con c lu sio n     2. D y namic  Sliding Mode Con t rol Al gorithm   Con s id erin g MIMO (Multip l e Input Multip le Output) n online a r affin e  system.     () () x fx g x u                                                                                                                             (1)    Whe r e n x R () f x  : nn RR , 1 ( ) [ ( ), .. ., ( ) ] m g xg x g x : nn m RR , m uR ,each vecto r  in  () f x , () g x is  sufficie n tly sm ooth fu nction. Suppo se  () x  : nm RR be sli d ing  variabl es of  system  (1 ).   For si mplifying formula,  () f x is written as  f  and other  symb ols are han dl ed like thi s .   Acco rdi ng to the followi ng a s sumption s to cho o se  () x  Assump tion   1:  Wh en sy stem moves o n   0 sliding mode manifold,  x is guaranteed   to converge to equilibrium  point.   Assump tion  2:  Fo r every  x   1 11 ( ) 0, ( ) 0, 1 , . . . , ; 0 1 ii ii mm kr gf i g f i i i jj LL x L L x i m k r                                            (2)     Assump tion  3:  Matrix  11 1 1 1( 1 ) 11 1( 1 ) ( ) ... .. . ( ) .. .. .. . ... .. . . . ... () . . . . . . () m mm m rr gf g f rr gf m g f m LL x L L x LL x L L x            is invertible.   Acco rdi ng to above a s sum p tions:     () () ii kk if i Lx                                                                                                                                    (3)    Whe r e 0 , 1 , .. ., 1 ; 1 , ... , . ii kr i m      () 1 1 () () ii i f m rr r if i g f i j j Lx L L x u                                                                                                 (4)    Derivative  of  formula  (4) i s  cal c ul ated  a nd the n  fo rm ula  (5) which  explicitly in cl ude s first  orde r differe n t iation of cont rol varia b le is:    (1 ) 1 1 1 11 1 1 () () () () ii i i i ff j f mm m m rr r r r if i g f i j g g f i j j g f i j jj j j Lx L L x u L L L x u u L L x u            (5)    Write formula  (5) a s  vecto r  and matrix form.    (1 ) 12 (, ) ( ) r x ux u                                                                                                                (6)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dynam ic Slidi ng Mode  Con t rol of Ship Rudde r-fin  Join t Nonline a r S ystem  (Han Y aozhen 5277 Whe r e 1 (1 ) (1 ) (1 ) 1 ( . . .... ) m r r rT m  , (1 ) , rm R 11 1 1 2 1 3 1 4 (, ) ( ) ( ) ( ) ( , ) x u x xu xu xu u   , 1 (, ) m x uR  , 11 () m x R  , 12 13 () , ( ) , mm m m xR xR   14 2 (, ) , ( ) mm mm xu R x R  Every con c ret e  expre ssi on  is as follo w:     1 1 1 11 1 () ( ( ) . . . () ) m r r T ff m x Lx L x  , 11 1 1 11 12 () . . . ( ) ( ) .. . . . . ... () . . . ( ) m mm m rr gf g f rr gf m g f m LL x L L x x LL x L L x    11 1 1 11 11 13 11 () . . . () ( ) ... .. . . .. () . . . () m mm m rr fg f f g f rr f g fm f g fm LL L x LL L x x LL L x LL L x            , 11 1 1 (1 ) ( 1 ) 11 2 (1 ) ( 1 ) () . . . ( ) ( ) .. . . . . ... () . . . () m mm m rr gf g f rr gf m g f m LL x L L x x LL x L L x      11 1 1 (1 ) ( 1 ) 11 11 14 (1 ) ( 1 ) 11 () . . . ( ) ( , ) . . . .. . . .. () . . . ( ) jm j mm jm j mm rr g g fj g g fj jj mm rr g gf m j g g f m j jj LL L x u L L L x u xu LL L x u L L L x u                    Cho o se a ne w slidi ng mod e  function [12 ]   () ( 1 ) 11 1 .. . ii ii i rr i i i i ir i i r i ir                                                                              (7)    Cho o s e   1 ( . . ... . ) T m   and t a ke it to form ula (6 ).    (1 ) 3 (, ) r x u                                                                                                                            (8)    Whe r 1 11 () 11 1 1 1 1 1 1 3 () 11 1 .. .... ( , ) . .... . .... .. m mm r rr r mm r m m r m xu           Cho o s e  pa ra meter s   , 1 , . .., ; 1 , ... , 1 , ij i im j r   by using  pole a s signm ent me thod an d   make each polynomial be  Hur w itz  po lyno mia l For satisfying  sliding mo de  reaching  con d ition, Exponential app roa c h la w is cho s en a s :     12 sgn( )                                                                                                                               (9)    Whe r e 1 ( , . .., ) , 0 , 1 , 2 , 1 , .. ., ii i m i j diag i j m      Take  (6 ) and  (8) to (9):     12 3 1 2 (, ) ( ) ( , ) s g n ( ) xu xu xu                                                                        (10)    Cho o se lyapu nov function V to desi gn cont rolle r acco rdi ng  to Lyapun ov stability theore m   and then formula (9 ):    ( ,,, , s g n ( ) ) ut x u                                                                                                                         (11)    () .. . 0 , 1 , . .. , i r ii i im   Ac c o rding to ass u mption 1,  x  will co nverg e  to equilibri u m  point.  In formula (1 1), take integ r ation of u Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5275 – 52 83   5278                 00 ( ) ( 0 ) ( ) ( 0 ) ( ,,, , s g n ( ) ) ut u u d u x u d                                                          (12)    The discontin uou terms  sgn( )  are in clu ded  in  first  ord e r de rivate of  co ntroller  and  the   controlle r be comes  contin u ous fun c tion i n  time dom ai n. Theoretical ly, it needs inf i nite time for   x   conve r gin g  to equili briu m  point be ca u s e traditional  swit chin g fu nction s a r e li near. In  orde r to  accele rate converg e n c e rate, combini ng termin al slidin g mode.  Desi gning  switchi ng fun c tion / qp s as   , where,  a is di agon al matrix , p, q are d e sign pa ram e te rs  of termi nal  slidin g mo de The de sign e d  controlle r can not only eliminate the  chatterin g  b u t also ma ke   x  converg e  to   equilibrium point in finite ti me.      3. Mathema t i cal Model of  Rudd er-fin J o int Sy stem  Actual motio n  of ship i s   rat her  com p licated an d the  complex motio n  ca n be  divided into  six motions i n clu d ing rolli ng, pitching,  yawing,  surgi ng, swaying and heavin g. For re sea r ching   rudd er-fin joi n t cont rol, shi p  co urse  ke e p ing a nd rolli ng  redu cing  are  m a inly co nsid ere d   an d   so   pitchin g  a n d  heavin g a r e  igno red.  No nlinea r m a th ematical  mo del of  ru dde r-fin joint  sy stem  whi c h is e s ta blish ed ba se d on dynami c s theorem [13 ] In (13 ) , u, v,  w,  r, p, q  re spe c tively are:  su rge  velo city, sway ve locity, heave   velocity,  yaw rate, roll  rate a nd pit c rate in  bo dy- fitted co o r dinate  syst e m ,,   r e spec tively ar e:   headi ng angl e, rolling ang le and pitchi ng angle in i nertial coordi nate system  whi c h dete r m i ne  the geo metri c  po sition  rel a tion bet wee n  body - fitted  and in ertial  coo r din a te sy stem. X, Y, Z, K,  M, N a r e: lo n g itudinal fo rce, tr an sverse  force, vertical force, rolli ng mom ent,  pitchin g  mom ent  and ya wing  moment. m i s  ship  weig ht.  ,, x xy y z z I II  respe c tively are: ine r tia  moment a b out the   X,Y,Z axis. O t her pa ramet e rs a r e d e fine d in [13].    2' 2 ' 2 { ( '' ) ( '' ) ' / / 24 2 ' 2 [ ( 1 ) ( ) ( 1 ) s i n ] /( ) } /( ' ) {( ' ' ) ( ' ' ) ' / ' ' | | / '| | ' | | um m v r m m v r X u L X v L L X r xc y r u u r v v r r r tn D k J t F X X L d m m p p T p R N WI ND W AVE x vm m u r m m u r V Y v L V Y r Y v v L yc xr r r r v v r r Yv r L Y r r vr r r r      2 2[ ( 1 ) c o s c o s 2 ]/ ( ) } / ( ' ' ) 32 4 {2 | | / ) / ( ) '' 2 ' ' 2 ' ' (/ / | | / | | / | | ) 2 2[ ( 1 ) c o s aF V A C HN F l a f f YY L d m m WI N D WA V E y pK p K p p W G M W G M L d pp p v z V Y v L V Y r LYv v L Y v r L Y r r H v r r vv r r vr r r r az F V A C l K HH N F L a f f W I N         4' ' ]/ ( ) } / ( ) '2 ' ' ' 2 ' 2 {/ / | | / ( ) / 2' 2 ' 2 ' ' ' 2 /| | / | | / ( / '' 2 ' ' /| | / | | / | | ) 2 [ ( 1 ) c KL d I J D W AVE x x xx rV N v L V N r L N r r N v r V L N v r V vr r r r v v r r v r r r V N LV N v LV N r L x V Y v L vr r c v r V Y r LYv v L Y v r L Y r r a x F rv v r r v r r r r H R N       os 24 ' ' c o s ] /( ) } /( ) co s c o s s i n 0 si n c o s c o s 0 cos VA C l N N L d I J FL a f f l f W I N D W A V E z z z z xu v yu v p r                        (13)    Rud der-fin joi n t control  stu d y in this pap er  nee dn’t co nsid er the ch ange in p o siti on, so x0   and y0  ca n b e  negl ecte d.  The influ e n c e  of cu rrent di sturb a n c on  cou r se a nd  rolling  is  rath er  small,  so  current di sturb a n c ca n b e  n e g lecte d  a nd  make 0 cc uv , rr uu vv . In ad dition,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dynam ic Slidi ng Mode  Con t rol of Ship Rudde r-fin  Join t Nonline a r S ystem  (Han Y aozhen 5279 sup p o s e the ship is  sailing  straightly un der con s tant spe ed whi c mean s it is not need co nsi der  the cha nge of  u.  Cho o se stat e varia b le 1 x v , 2 x p , 3 x r , 4 x , 5 x , input va riable s   1 f u , 2 u output vari able s   12 , yy  , supp ose  effective  angle  0 R R   flowin g to  rudd er and ru dder  angl are rath er  small   then  0 sin , R RR   sin ,   cos 1 ,   mean while  choo se wi nd a nd wave di st urba nce,  bala n ce rudd er a ngle an d sma ll nonlinea r te rm  as di sturb a n c e term. Then  formula (13 )  is ch ang ed int o  an affine no nlinea r syste m   11 1 1 1 2 3 1 3 1 1 1 4 1 3 1 1 1 1 2 2 3 2 2 22 2 4 4 2 94 2 1 1 2 22 2 3 3 11 3 2 3 3 9 1 3 3 11 3 2 2 42 53 14 25 || | | x ax a x a x x a x x b u b u x a xa xa x b u b u xa x a x a x x b u b u xx xx yx yx                                                              (14)    In formula (1 4):   22 ' 2 2 ' ' ' 11 12 11 12 '' ' ' ' ' ' ' ' 12 12 13 14 15 2 21 2 c o s /[ ( ' ) ] , ( 1 ) /[ ( ' ) ] /[ ( ' ) ] / , [ ( ' ) ] / ( ' ) / , / [ ( ') ] , / ( ') , ( ') , 2 FL a f y H R R a y v y rx y v v y v r y r r y FL a bV A C L d m m b a V A f L d m m a V Y L m m b V a Y mm V m m b L V a Y L m m a Y m m a L Y mm bV A C l    4' ' ' 2 3 ' ' 22 '' 2 ' ' 4 ' ' '' ' ' 21 22 22 23 22 / ( )] , ( 1 ) / [ ( )], /( ) / , 2 / [ ( ) ] , / [ ( ) ] / , f x x x x H H R R a xx xx H v xx xx p x x x x H v x x x x L d IJ b a z V A f L d IJ az V Y L I J b V a K L d I J a z V Y L I J b L V     4 ' ' ' ' 2 '' ' ' '' 24 25 26 '' ' 2 ' ' ' ' ' ' ' 31 32 32 32 2' 2 ' ' ' 33 3 4 2 / [ ( ) ] , / [ ( )], / [ ( ) ] () / [ ( ) ] / , ( ) / [ ( ) ] / /[ ( ) ] , x x xx H v v x x x x H vr x x x x v c v z z z z r c v zz zz zz z z c a W G M L d IJ a z Y L IJ a z Y L I J a N xY V L I J b V a N xY V L I J b L V aV N L I J a x       ' 2 '' ' ' '' ' 2 '' 35 36 '' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' 37 38 39 30 / [ ( ) ] , /[ ( ( ) ] /[ ( ) ] , ( ) / ( ), / [ ( )], / [ ( )], / [ ( )], v v zz zz c v r z z z z v zz zz r r c v r z z z z r zz zz vrr z z z z v rr zz zz Y L IJ a x Y L IJ a V N L IJ aN x Y I J a V N L I J a N V I J a N V L I J    '2 3 ' ' 2 4 ' ' 32 31 4' ' ' ' ' ' 2 ' ' 27 28 29 (1 ) / ( ) / ( ) , 2 c o s / [ ( ) 2/ [ ( ) ] , / ( ) , 2 / 4 / ( ) , HR R R a z z z z F L a f f z z z z p p xx x x H r r x x x x v xx x x b a x V A f L d IJ b V A C l l L d IJ aK L d I J a z Y I J a W G M L d I J       Then the form of the affine nonlin ear  system (14 )  is () () () x fx g x u w yh x  Whe r e, 12 5 [ , , . .., ] , T xx x x 12 1 2 [, ] , [ , ] TT uu u y y y  , 12 () [ ( ) , () ] g xg x g x , 12 () [ ( ) , ( ) ] T hx h x h x w is  disturban ce t e rm.     11 1 1 1 2 3 1 3 1 1 1 4 1 3 () | | | | f xa x a x a x x a x x  , 3 2 2 22 2 4 4 2 94 () f xa x a x a x  , 2 33 1 1 3 2 3 3 9 1 3 () f xa x a x a x x  , 42 () f xx , 53 () f xx , 11 1 2 1 3 1 () [ , , , 0 , 0 ] T gx b b b , 21 2 2 2 3 2 () [ , , , 0 , 0 ] T gx b b b , 14 () hx x , 25 () hx x   Take n o  acco unt of disturb ance te rm, an d then the sta t e function is:     () () x fx g x u                                                                                                                      (15)      4. Simulation Rese arch   Acco rdi ng to para m eters o f   “YuKun”training ship [13]   11 12 1 3 14 11 12 22 2 4 2 9 21 22 31 32 39 31 32 0. 083 3 , 1 . 6355 , 0 . 0 2 1 5 , 0. 6048 , 0 . 1 8 7 4 , 0. 212 1 , 0. 0763 , 0. 358 8 , 0 . 7363 , 0 . 0774 , 0 . 0 1 8 2 , 0. 0028 , 0 . 2 706 , 0 . 3091 , 0. 0014 , 0 . 016 6. aa a a b b a aa b b a a a bb          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5275 – 52 83   5280 De sign fa st terminal  sliding  mode switchi ng functio n   / 0 () ss t qp ss s s s s ea e b e d t                                                                                                     (16 )     Whe r s c e  12 (, ) ss s ad i a g a a 12 (, ) ss s bd i a g b b   1 0 s a 2 0 s a 1 0 s b  ,  2 0 s b  , s q s p   respe c tively are po sitive od d numbe r an d satisfying  1/ 2 / 1 ss qp .   De sign a n e w sliding mo de  function.     / s s j k s s ss ss cd                                                                                                                      (17)    Whe r e the  ch oice of  , s s cd and , s s j k respectively are similar  with , s s ab and , s s qp Cal c ulate d e ri vative of formula (17 ) , and  take it to formula (15 )  an d (16):     / / () ( ) ss qp js k s sc c c s s s s s s s s fg g a e b e c d                                                         (18)    Adopt expon ential app roa c h la w to gu arante e  the system e n teri ng into slidi n g mode  manifold in finite time.    12 sgn( ) s ss s s                                                                                                                             (19)    Whe r e 12 ( , ) , 0 , 1, 2 , 1, 2 si si s i si j diag i j    Theorem   1:   W i th   r e ga r d  to  fo r m u l a ( 15) , to  de s i g n   co n t r o l la w des cr ib ed  in fo rmu l a   ( 2 0) ,   then the syst em is sta b le and tra cki ng  error can con v erge to ze ro  in finite time.    01 c                                                                                                                                                (20)    Whe r e // 1 0 () ( ) , ss s s qp j k c c ss ss s s s s gf g a e b e c d   1 0 , t s vd t 12 sgn( ) s ss s s v   Proof:   cho o se Lyapun ov functio n   0.5 T s s V    Then  T s s V  take it to formula (1 8) and  (20 )   2 12 1 2 ( s gn( ) ) || || || | | 0 ( 0) T s s sss s s s s Vw h e n     Wave disturbance  i s   m a in reason causi ng ro lling and off-course  while navigating on the  sea. Its influe nce mu st be con s id ere d  in simu lation e x perime n t. This study em ploys white n o ise   to drive a typical  second  order oscillation element  to  represent  wave disturbance [14,  15] and   take it into the nonlin ear m odel of rud d e r-fin jo int sy stem. Wave di sturban ce tran sfer fun c tion i s   0 22 00 2 () 2 w s hs ss                                                                                                                    (21)    Whe r e w is co nstant d e scri bing  wave int ensity,  is d a m ping  coefficient,  0 is leadi n g  wave   freque ncy. G enerally,  0 4.8 5 / w T 1/ 3 0 . 01 85 ww Th w T is the avera g e  wave peri od and  1/ 3 h   is  s i gnific ant wave height.  Con s id erin g the mechani cal system of rudde r and fin :   E c T  F c T   wh ere  c is comm and   rudde r angle,   c  is comman d   fin angl e.  2.5 E Ts 0.5 F Ts  a nd h a s the  bo und  ma x 20 ma x 20   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dynam ic Slidi ng Mode  Con t rol of Ship Rudde r-fin  Join t Nonline a r S ystem  (Han Y aozhen 5281 Und e r grade  6 wave, take 8 w Ts 1/ 3 3 hm 0.3 , then  0 0 . 606 24 1.15 41 w the wave  mo del is 2 0. 4198 () 0. 3638 0. 3675 s hs ss  . Suppo se the  given  yaw an gle i s   15°a nd the  gi ven  rolling angle i s  0°, then the sim u lation curve  of  yaw angle  and rolling angle is as Fi gure 1.  As  i s   sho w n i n  Fig u re  1, the av erag e rolling   angle i s   withi n   and th e  actu al outp u t  yaw an gle  can   track the give n yaw angl e appreci a tively.                          Figure 2  sho w s the fin an gle  and  rudd er  a ngle u nde r g r ade  6  wave.  Fin an gle a nd  rudd er an gle  are the a c tua l  control inp u t. As is  shown  in the partial enlarg ed det ail, the control  inputs a r e co ntinuou s an d the chatte ring  is greatly re d u ce d.          Figure 1. Roll ing Angle an d  Yaw Angle u nder G r a de 6  Wave             Figure 2. Fin Angle and  Ru dder An gle u nder G r a de 6  Wave                        Sup pose  the  wa ve  chan ging   to  grade  8,  choo se  12 w Ts 1/ 3 8 hm 0.5 , then  0 0 . 404 17 3 . 7 6935 w   2 1. 5243 6 () 0. 404 17 0. 163 4 s hs ss  Set th e given co u r se  angle  b e   15°and the gi ven rolli ng  angle i s  0° . Aft e simul a tion  at fixed step   time 0.01s, the rolling angle  and yaw a ngl e are sho w as Figu re 3.           Figure 3. Roll ing Angle an d  Yaw Angle u nder G r a de 8  Wave   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5275 – 52 83   5282       Figure 4. Fin Angle and  Ru dder An gle u nder G r a de 8  Wave                       The  rolling  a ngle  b e fore  a nd  aft e controlled  can  be  o b vio u sly  di stingui she d   from  Fi gure   3. The final  rolling an gle  can al so b e  re duced to the  rang e 2°. Y a w a ngle o u t put is relative ly  smooth a nd can not move far away  from  the given co u r se a ngle.                   Figure  d enote s   the  a c tual  co ntrol  in puts,  f i angl a nd  rudd er  angl e   unde gra d e   wave s. Chattering  is cont ained  in the   differentia of co ntrol i nput . So the fin  a ngle  and  ru d der  angle a r e sm ooth.      3. Conclusio n   A dynamic sli d ing m ode  co ntrolle r for  MIMO no nline a r affine sy ste m  is  desi gne d and  the   mathemati c al  model  of  rud der-fin joi n t system i s   stated.  The   p r op ose d  sliding  mode co ntroll er  i s   applie d to the rudd er-fin joint system  with 4  freed oms. Simulat i on re sea r ch  is implemen ted   unde r g r ad 6 and  8 wi nd  by matlab/si mulink. Sim u lation  result s sho w   the effectivene ss of  the   desi gne d con t rol system.  The ch atterin g  cau s ed  by  slidin g mode  is almost av oided an d su ch  that mechani cal  wea r   can  be lo wered to  the hilt. Ne xt  radial  ba sis f unctio n  ne ura l  netwo rk will  be   employed to desi gn rollin g  disturb a n c e observe r and  combin ed wi th dynamic sl iding mod e  to  control rudder-fin joint sy stem.      Ackn o w l e dg ements   The re se arch work was supp orted  by  A Project of Shandong Provin ce  Highe Educatio nal  Scien c e an d  Tech nology  Program u nder  Gra n t No.J12L N2 9  and Shan d ong   Provinci al Na tural Sci e n c e  Foun dation  unde r G r ant  No. Z R 20 13 EEL014, No. ZR2 013ZEM 006   and Shan don g Province Transportatio n   Innovation Progra m  (No. 2012-33 ).      Referen ces   [1]  Umed a N, Ha shimoto H. Qu alit ativ e aspect s  of nonli n e a r ship moti ons i n  follo w i n g  an d quarter i n g   seas  w i th h i gh  for w a r d ve locit y . Jo urna l of Marin e  Scienc e and T e ch no log y .  2002; 6:11 1- 121.    [2]  M T o mera, Kalman-Bucy . F i l t e r  de si gn  fo mu l t i v a r ia bl e  sh i p  mo ti on  contro l .   Internati o n a l J ourn a o n   Marine N a vi gat ion a nd Safety  of Sea T r ansp o rtation . 20 11;  5(3): 345- 35 5.  [3]  Xi np ing W a ng,  Xi ank u Z h a n g , W e i Guan.  Over vie w   of ship r udd er/fin j o int co ntrol.  N a vig a tion of   Chin a . 20 09; 3 2 (2): 20-2 6 [4]  Hon g zha ng Ji n ,  F an W ang. Rudd er/fin rol l  stabil i zati on  w i t h   energ y  optimi z ation usin a lo w e r-s pe e d   steerin g ge ar.  Journ a l of Chi n a Ordnanc e . 2 009; 30( 7): 945 -949.   [5]  LIU Yan- w e n,  MIAO Qiu- y a n,  LIU She ng, G A O Z hen-gu o.  An  H control a p p r oach for r u d d e r/fin rol l   stabiliz atio n.  Control En gi neer ing of Ch in a . 2010; 17( 5): 595 -599.   [6]  Z hang B i ng,  Xu Kej i an, Ji an g  Cha ngsh e n g . Rese arch o n  n onli n e a r rud d e r /fin joint c ontr o l b a sed  o n   ruzz y  var i a b le  structure contr o l theor y.  Nav i gatio n of Chi n a . 2005; 1(4): 1- 3.  [7]  Ming-C h u ng F ang, Jh ih-H on g Lu o. On the  track keep in g  and r o ll r e d u c tion of th e sh ip i n  ran dom   w a ves us ing d i fferent slidi ng  mode co ntroll e r s.  Ocean Engi neer ing.  2 007; 34:  479- 48 8.  [8]  Koshko uei  AJ,  Burn ham  KJ, La w   Y. A  co mparativ e stu d y   bet w e e n  sl id ing  mod e   an d  pro portio n a l   integr ative d e ri vative contro lle rs  for ship roll  stabilis ation.  IET  Control T h eory & Appl ica t ions , 2 0 07;  1(5): 126 6-1 2 7 5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dynam ic Slidi ng Mode  Con t rol of Ship Rudde r-fin  Join t Nonline a r S ystem  (Han Y aozhen 5283 [9]  Lia ng L i , Xi Jian, an d Hu a ng Jia n  Z h a o . F u zz y  ad apti v e slid ing m o de contr o l of l a rge er ectin g   mechanism.  T E LKOMNIKA Indo nesi an Jo u r nal of Electric al Eng i ne eri ng.  2013; 1 1 (12):  725 9-72 68.   [10]  Guoqi n Gao, e t  al. Sm ooth sli d in g mod e  con t rol for trajector y  tracki ng of gr een ho use spr a yi ng mo bil e   robot.  T E LKOMNIKA Indone sian Jo urna l of Electrical E ngi neer ing  2 0 1 3 ; 11 (2): 642- 65 2.  [11]  GR Ansarifar, HA T a lebi, H Davil u . An ad aptiv e- d y nam ic  slidin g mod e  control l er for n on-min i mum   phas e s y stems .   Commu n  No n line a r Sci Nu mer Simul a t . 201 2; 17: 414- 425.   [12]  PU Ming, W U  Qing- xia n , JIANG Chan g-s hen g,  Z H ANG Jun. Near sp ace veh i cl e co ntrol bas ed o n   se co nd -o rde r  dy na mi c te rmin a l  sl i d in g  no de Journ a l of Astrona utics . 201 0; 31(4): 105 6-1 062.   [13]  W A NG Xi n-pi n g , Z H ANG  Xia n -ku, GUAN  W e . N onl in ear  rudd er/fin j o i n t mathematic al  mode li ng  an d   simulati on.  Na vigati on of Chi n a . 200 9; 32(4) : 58-66.   [14]  Jian-C h u an Yi n, Li-Do ng W ang, Ni- Ni W a ng. A va ria b le -structure grad ient RBF  net w o rk  w i th it s   app licati on to p r edictiv e ship  motion co ntrol.   Asian Jour nal  of Control . 20 1 2 ; 14(3): 71 6-7 25.   [15]  H Yasuk a w a T  Hirono,  Y N a ka yam a KK Koh. Co urse   s t abilit y an d ya w  m o tio n   of a ship in  ste a d y   w i nd.  Jo urna l o f  Marine Scie n c e and T e ch no logy . 20 12; 17( 3): 291-3 04.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.