船舶运动控制概述

船舶运动控制概述

随着经济全球化的加剧，现代物流业飞速发展，市场对进出口的需求越发的加大，造成了与之相应的航运自动化的繁荣发展，各种新的控制算法不断地应用于传播控制以提高营运的经济效益。作为大连海事大学自动化专业的学生，我们有必要了解船舶相关的知识，包括船舶运动控制，船舶控制系统，船舶导航等的相关知识。并将储备的知识运用到以后的学习与工作中。

一、欠驱动船舶的控制器设计

首先我们先来聊聊船舶的驱动。由于船舶动力驱动结构具有非完整约束和典型的欠驱动特性,而且航行条件的变化、环境参数的严重干扰和测量的不精确性等又使船舶运动呈现出大惯性、长时滞、非线性等特点,采用传统的船舶控制方法已经不能满足控制要求,必须探索新的船舶控制方法。

欠驱动系统是指由控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的系统，即控制输入数小于系统自由度的系统[1]。欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，约束都是不可积的微分表达式,属于非完整系统。

研究欠驱动船舶的控制器设计也具有非常重要的现实意义。一个欠驱动船舶以较少数目的驱动器来完成航行任务,降低了系统的费用及重量,提高了营运效益,同时也会因控制设备的减少而降低船舶机械故障的发生率,使系统运行更加稳定而易于维护。更为重要的是,欠驱动控制同时对船舶完全驱动系统提供了一种备份控制技术。如果全驱动系统遇故障不能正常运行时,可采用欠驱动船舶控制策略,利用仍在工作的控制器对船舶进行有效控制,增大设备出现故障时系统的可靠性。

正是由于上述原因,对欠驱动船舶的控制研究得到了广泛重视并成为控制领域的研究热点之一[2]。作为一种特殊的非线性控制方法,欠驱动船舶控制技术的发展目前还存在着很多问题,有待于更多的科技工作者致力于深入的研究。为了促进欠驱动船舶控制技术的发展,本文在查阅有关资料的基础上,对欠驱动船舶数学模型、控制方法及其发展做了较为详细的综述,并对该领域存在的问题以及可能的发展方向进行了探讨。

如果把船舶作为一个刚体来研究,则船舶的运动有六个自由度,称之为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡。考虑常规船舶水平面运动的控制,所关心的主要是船舶在水面上的位置和航向,而且就低重心的普通船舶而言,垂荡、纵摇和横摇对其水平面运动影响甚微,可以忽略。因此水面船舶的六自由度运动就可以简化为沿x方向前进、y方向横移及绕z轴旋转(艏摇)的三自由度运动。由于船舶的推进装置仅装备有螺旋桨推进器和船舵,也就是说系统只有2个控制输入(前向推力和旋转力矩),但需要同时控制船舶在水平面运动的3个自由度,因此对常规船舶平面运动的控制研究可归结为欠驱动控制问题。

上述的船舶的控制问题 ,船的质量和阻尼矩阵都假定为三角阵 ,船舶模型参数和环境干扰的不确定性也被忽略 ,都是在理想的条件下对船舶进行镇定Π跟踪控制。

二、船舶操纵的控制技术发展

船舶操纵的自动舵是船舶系统中不可缺少的重要设备,随着对航行安全及营运需求的增长，人们对自动舵的要求也日益提高。本世纪20年代,美国的Sperry和德国的Ansuchz在陀螺罗径研制工作取得实质进展后分别独立地研制出机械式的自动舵,它的出现是一个里程碑,使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望,这是第1代自动舵。机械式自动舵只能进行简单的比例控制,为了避免振荡,需选择低的增益,它只能用于低精度的航向保持控制。本世纪50年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发展成果于一体的、更加复杂的第2代自动舵问世了,这就是著名的PID舵。自然PID舵比第1代自动舵有长足进步,但缺乏对船舶所处的变化着的工作条件及环境的应变能力,因而操舵频繁,操舵幅度大,能耗显著。

到了60年代末,由于自适应理论和计算机技术得到了发展,人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能,瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验室装到实船上,正式形成了第3代自动舵。自适应舵在提高控制精度、减少能源消耗方面取得了一定的成绩,但物理实现成本高,参数调整难度大,特别是因船舶的非线性、不确定性,控制效果难以保证,有时甚至影响系统的稳定性,尽管存在这些困难,熟练的舵手运用他们的操舵经验和智慧,能有效地控制船舶,为此,从80年代开始,人们就开始寻找类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第4代的智能舵。此外,80年代前船舶上安装的自动舵一般只能进行航向控制,它可把船舶控制在事先给定的航向上航行。随着全球定位系统(GPS)等先进导航设备在船舶上装备,人们开始设计精确的航迹控制自动舵,这种自动舵能把船舶控制在给定的计划航线上。

1.PID控制

直到70年代早期,自动舵还是一个简单的控制设备,航向偏差给操舵设备提供修正信号,对海浪高频干扰,PID控制过于敏感,为避免高频干扰引起的频繁操舵,常采用“死区”非线性天气调节,但死区会导致控制系统的低频特性恶化,产生持续的周期性偏航,这将引起航行精度降低,能量消耗加大[3]。

此外,当船舶的动态特性(速度、载重、水深、外型等)或外界条件(风、浪、流等)发生变化时,控制参数需连续地进行人工整定,控制参数不合适的控制器将导致差的控制效果,如操舵幅度大、操舵频繁等,而人工整定参数很麻烦,为此,人们提出了自适应控制方法。

2.自适应控制

任何自适应系统都应能连续地自动辨识(整定)PID算法的控制参数,以适应船舶和环境条件的动态特性。目前提出的方法主要有自适应PID设计法、随机自适应法、模型参考法、基于条件代价函数的自校正法、最小方差自校正法、线性二次高斯法、H∞控制法、变结构法等,这些自适应方法都有各自的优缺点,并且自适应法还处于不断的发展过程中。

总之,自适应控制技术不仅与代价函数的估计值有关,而且也与精确地建立扰动模型有关,在船舶所遇到的复杂的工作台条件下,自适应自动舵并不能提供完全自动的最优操作。

3.智能控制

对有限维、线性和时不变的控制过程,传统控制法是非常有效的,如果这样的系统是充分已知的,那么,它们能用线性分析法表示、建模和处理,但实际船舶系统常具有不确定性、非线性、非稳定性和复杂性,很难建立精确的模型方程,甚至不能直接进行分析和表示,而人工