_船舶自动舵控制技术发展研究_船舶自动舵控制技术发展研究
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Abstract :T he control methods of ship maneuvering auto pilo t are described and compared in this paper .T he ship autopilo ts contain four developmental stages , that is, mechanical, PI D , adaptiv e and intelligent control autopilot .T he intelligent autopilo t is no w the most advanced autopilot , its control methods can be divided into expert system , fuzzy control and neural netwo rk.
自动舵大致经历了 4 个发展阶段 :20 世纪 20 年 代 , 美国的 Sperry 和德国的 Anschuz 在陀螺罗经研制 工作取得实质性进展后分别研制出机械式自动舵[ 4] , 这为第一代自动舵 ;20 世纪 50 年代 , 随着电子学和 伺服机构理论的发展与应用 , 出现了集控制技术和电 子器件发展成果于一体的第二代自动舵 , 这就是著名 的 P ID 舵 ;到了 60 年代末 , 人们将自适应理论引入 船舶操纵 , 瑞典等国家纷纷将自适应舵从实验室装到 实船上 , 形成了第三代自动舵 ———自适应舵 ;从 80 年代起 , 人们开始寻找类似于人工操舵的方法 , 像熟 练的舵手运用操舵经验和智慧那样有效地控制船舶 ,
(7)M esser 等提出的 H ∞控制法是采用横摇与舵 角之间关系式作为船舶运动模型 , 前向速度的影响包 含在频率项中 , 航迹偏差表示为航向和实际船位的函 数 , 用假定的横摇/ 偏航动态特性来确定航迹偏差与 需要航向之间的关系 。
(8)Papoulias 等提出的船舶操纵变结构 (滑模) 控制是采用伪线性变换将船舶操纵非线性系统近似地
Key words:ship maneuvering ;autopilo t;P ID co ntrol;adaptive control;intellig ent control
1 引言 船舶自动舵的控制技术水平与控制理论发展水平
相一致 。 控制理论发展过程一般可分为 3 个阶段 :第 一阶段为 20 世纪 40 ～ 60 年代 , 称 为 “ 古典控制理 论” 时期 ;第二阶 段为 20 世纪 60 ～ 70 年代 , 称为 “现代控制理论” 时期 ;第 3 阶段为 20 世纪 70 年代 至今 。 70 年代末 , 控制理论向着 “大系统理论” 和 “智能控制” 方向发展 。
(4)Amerogen 提出模型参考自适应法 , 其应用 前提为线性过程 、 阶次和结构已知 , 且无随机扰动 。 Denni 在假定船舶为线性 、 常系数 、 无限工作系统下 提出了船舶线性叠加原理 , 将船舶对不规则海况的响 应用该海况规则分量响应的线性累加来表示 。由于船 舶实际上是含有噪声的非线性系统 , 因此在较差海况 及载重变化的条件下 , 控制效果变差 。
问题是波浪系统建模引起的偏差以及 Ricat ti 方程求
解计算时间较长 。 (6)Katebi 等提出的线性二次高斯法是使用公式
表示动态代价函数 , 并在以多项式表示的随机结构中 优化代价函数 。 此法与风和浪的测量和计算有关 , 波 浪的模型用作控制函数 , 以便使输出信 号的变化最 小 。 风力由平均风速和扰动组成 , 平均风速只用作建 模 , 系统误差将随风 、 浪的测量和建模出现 。
2 船舶自动舵的控制方法 2.1 PID 控制
70 年代 初 , 自 动舵仍 是一个 简单的 控制 设备 , 舵角信号由航向偏差乘上比例系数得到 , 而航向偏差 信号则由给定航向减去实际航向算出 , 其中比例常数 应整定以适应载重和环境要求 。为避免振荡 , 比例常 数应取较低值 。 对于稳定低速航行的船舶 , 这种比例 (P) 控制效 果基本 令人 满意 , 但对 不稳 定的船 舶 , 这种简单的控制则不适用 , 而应包含航 向误差导数 项 , 即舵角信号还应加上微分系统乘以航向导数的偏 差 , 这种控制称为比例 -微分 (PD)控制 。
The Study on Development of the Control Techniques on Ship Autopilot
CHENG Qi-ming , L IU Qi-ming , WANG Zhi-hong , SUN Gan-chao
(Yancheng Institute of Technology , Jiangsu Computer Information Processing Techniques Lab., Suzhou U niversity Yancheng 224003 , China)
(1) 专家控制 专家系统是人工智能 应用领域最成 功的分支之
一 , 始于 60 年代中期 。 80 年代 , 专家系统的概念和 方法引入控制领域 , 促进了专家控制系统的研究和应 用 , 实际上可视为通过计算机模拟人的经验来实现复 杂系统的控制 。 大多数专家系统主要由知识库 、 推理 机 、 解释机制 、 知识获取器四部分组成 。专家控制可 定义为具有模拟专家智能的功能 、 采用专家系统技术 与控制理论相结合的方法设计的控制系统 。
于是出现了第四代的智能舵 。智能舵的控制方法有 3 种 , 即专家系统 、 模糊控制和神经网络控制 。
此外 , 90 年代前 , 船 舶上安装的自动舵一般只 能进 行航 向控 制 。 随着 在 船上 装 备全 球 定 位系 统 (GPS)等先进导航设备 , 人们开始设计精确的航迹 控制自动舵 , 将船舶控制在给定的计划航线上 。
(5) Lim 使用 Clarke 提出的基于条件代价函数的 自校正方法 , 此法的控制器输出被明确地加到性能标 准公式中 。 自校正自动舵能用每个取样时刻的 Ricat ti 方程稳态解的计算值来设计 , 航向保持和航向改变采 用不同的性能标准 。 对一个含有未知参 数的系统来 说 , 由于波浪会使船舶动态特性发生变化 , 因而需要 采用在线辨识技术识别动态参数 。 此方法存在的主要
对有限维 、 线性 、 时不变的控制过程 , 传统控制 法是有效的 。如果这样的系统是充分已知的 , 就能用 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 人工操作者通过对所遇情况的处理经验和智能的理解
综 述
文章编号 :1007 -0257(2000)06 -0001-04
计 算 机 自 动 测 量 与 控 制 .2 0 0 0 .8(6) Computer Automated Measurement & Control
船舶自动舵控制技术发展研究
程启明 , 刘其明 , 王志宏 , 孙干超
(盐城工学院计算机系和 苏州大学江苏省计算机信息处理技术重点实验室 , 江苏 盐城 224Hale Waihona Puke Baidu03)
对海浪高频干扰 , P ID 控制过于敏感 , 为避免高
第8卷
计算机自动测量与控制
· 2 ·
频干扰引起的频繁操舵 , 常采用 “死区” 非线性天气 调节 , 但这导致控制系统低频特性恶化 , 产生持续的 周期性偏航 , 降低航行精度 , 加大能量消耗 。
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)变化时 , 需连续地进行人 工整定控制参数 , 采用控制参数不合适的控制器将导 致较差的控制效果 , 如操舵幅度大 、操舵频繁等 。 而人 工整定参数很麻烦 , 为此人们提出自适应控制方法 。 2.2 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 。 目前船舶操纵 中提出的自适应方 法[ 4] 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 , 并且还处于不断的发展 过程中 。
收稿日期 :2000-07-25 基金项目 :江苏省 跨世纪 学科 带头人 科研 基金 项目(苏 科 教技[ 1998] 50 号);江苏省计 算机信息 处理技 术重点 实验室 开 放课题基金项目(苏大科[ 2000] 07 号)。 作者简 介 :程启明(1965 -), 男 , 江苏省 盐城 市 人 , 省跨 世 纪学科带头人 , 已 发表论 文 90 多篇 , 编书 8 部 , 主要 从事微 机 测量与控制 、智能控制理论与应用 、数字信 号处理 、生物医学 工 程等的研究 。
(2)M erlo 等的随机自适应法包含一个由海浪自 回归滑动平均模型中的海浪功率谱决定的参数 , 即假 定代价函数是航向偏差和操舵角的均方加权函数 , 其 目标是使代价函数值最小 。 此法与 Mo tora 提出的方 法类似 。
(3)Akaike 提出 多变 量 随机 系统 的辨 识方 法 , 此法是在 Oht su 等提出的方法基础上发展起来的 , 它 的模型取决于最小 Akaike 信息标准 , 代价函数依赖 于被控变量的偏差 、 控制信号大小 (舵角)和控制信 号变化率的补偿值 。
当横向风引起下风或上风力矩干扰时 , 为保持航 向不变 , 应再加上航向偏差的积分项 , 这就是著名的 比例 -微分 -积分 (P ID)控 制 , 其中 的比 例 、 微 分 、 积分项分别体现了对误差的线性缩放 、 记忆 、 改 变趋势作用 。根据 M ort 的论文 , 加入积分项可能降 低舵的响应速度 。为抵消船舶反应迟钝的影响 , 又加 入一 个 加速 项。 整 定好 这 些比 例、 微 分、 积 分 (PID)等控制参数 , 就能得到较好的操纵性能 。
摘要 :介绍 与比较了船舶操纵的各种 自动舵 控制方 法 , 船舶自 动舵可 分为四 个发展阶 段 , 即机 械舵 、 PI D 舵 、 自 适应舵和智能舵 , 其中智能舵为目前最先进的自动舵 , 它又分为专家系统 、 模糊舵和神经网络舵 。
关键词 :船舶操纵 ;自动舵 ;PID 控制 ;自适应控制 ;智能控制 中图分类号 :T P273;U66 文献标识码 :A
化为线性可控正则型 , 以简化控制设计并保证较大工 作范围内的控制性能与精度 , 然后对线性化系统设计 一种连续的变结构控制 , 以适应较大范 围的干扰变 化 , 从而完全抑制抖振而得到理想的精度 。
总之 , 自适应控制技术不仅与代价函数的估计值 有关 , 而且与建立精确的扰动模型有关 。在船舶宽广 的工作条件下 , 自适应舵并不能提供完全自动的最优 操作 。 2.3 智能控制
与解释 , 就可有效地控制船舶航行 。因此 , 人们很自 然地开始寻找类似于人工操作的智能控制方法 。
智能控制虽有 20 多年的发展历史 , 但仍处于开 创性研究阶段 , 最多可以说进入了初期发展阶段 。目 前 , 国内外智能控制研究的方向及内容主要有智能控 制的基础理论和方法研究 、 智能控制系统结构研究 、 基于知识系统的专家控制 、 基于模糊系 统的智能控 制 、 基于神经网络的智能控制 、 基于信息论和进化论 (遗传算法)的学习控制 、 基于学习及适应性的智能 控制研究等 。
(1)Sugimoto 提出的自适应 PID 设 计法是把自 适应思想引入 到 P ID 控制器设计中 , 着重解决自适 应函数的波浪条件识别问题 。 该函数根据波浪条件信 号 、 船速和载重情况选择最佳控制参数送给控制器和 卡尔曼滤波器 , 其中采用海洋分析器测量波浪 , 测量 的结果用于计算波浪条件指标 。
自动舵大致经历了 4 个发展阶段 :20 世纪 20 年 代 , 美国的 Sperry 和德国的 Anschuz 在陀螺罗经研制 工作取得实质性进展后分别研制出机械式自动舵[ 4] , 这为第一代自动舵 ;20 世纪 50 年代 , 随着电子学和 伺服机构理论的发展与应用 , 出现了集控制技术和电 子器件发展成果于一体的第二代自动舵 , 这就是著名 的 P ID 舵 ;到了 60 年代末 , 人们将自适应理论引入 船舶操纵 , 瑞典等国家纷纷将自适应舵从实验室装到 实船上 , 形成了第三代自动舵 ———自适应舵 ;从 80 年代起 , 人们开始寻找类似于人工操舵的方法 , 像熟 练的舵手运用操舵经验和智慧那样有效地控制船舶 ,
(7)M esser 等提出的 H ∞控制法是采用横摇与舵 角之间关系式作为船舶运动模型 , 前向速度的影响包 含在频率项中 , 航迹偏差表示为航向和实际船位的函 数 , 用假定的横摇/ 偏航动态特性来确定航迹偏差与 需要航向之间的关系 。
(8)Papoulias 等提出的船舶操纵变结构 (滑模) 控制是采用伪线性变换将船舶操纵非线性系统近似地
Key words:ship maneuvering ;autopilo t;P ID co ntrol;adaptive control;intellig ent control
1 引言 船舶自动舵的控制技术水平与控制理论发展水平
相一致 。 控制理论发展过程一般可分为 3 个阶段 :第 一阶段为 20 世纪 40 ～ 60 年代 , 称 为 “ 古典控制理 论” 时期 ;第二阶 段为 20 世纪 60 ～ 70 年代 , 称为 “现代控制理论” 时期 ;第 3 阶段为 20 世纪 70 年代 至今 。 70 年代末 , 控制理论向着 “大系统理论” 和 “智能控制” 方向发展 。
(4)Amerogen 提出模型参考自适应法 , 其应用 前提为线性过程 、 阶次和结构已知 , 且无随机扰动 。 Denni 在假定船舶为线性 、 常系数 、 无限工作系统下 提出了船舶线性叠加原理 , 将船舶对不规则海况的响 应用该海况规则分量响应的线性累加来表示 。由于船 舶实际上是含有噪声的非线性系统 , 因此在较差海况 及载重变化的条件下 , 控制效果变差 。
问题是波浪系统建模引起的偏差以及 Ricat ti 方程求
解计算时间较长 。 (6)Katebi 等提出的线性二次高斯法是使用公式
表示动态代价函数 , 并在以多项式表示的随机结构中 优化代价函数 。 此法与风和浪的测量和计算有关 , 波 浪的模型用作控制函数 , 以便使输出信 号的变化最 小 。 风力由平均风速和扰动组成 , 平均风速只用作建 模 , 系统误差将随风 、 浪的测量和建模出现 。
2 船舶自动舵的控制方法 2.1 PID 控制
70 年代 初 , 自 动舵仍 是一个 简单的 控制 设备 , 舵角信号由航向偏差乘上比例系数得到 , 而航向偏差 信号则由给定航向减去实际航向算出 , 其中比例常数 应整定以适应载重和环境要求 。为避免振荡 , 比例常 数应取较低值 。 对于稳定低速航行的船舶 , 这种比例 (P) 控制效 果基本 令人 满意 , 但对 不稳 定的船 舶 , 这种简单的控制则不适用 , 而应包含航 向误差导数 项 , 即舵角信号还应加上微分系统乘以航向导数的偏 差 , 这种控制称为比例 -微分 (PD)控制 。
The Study on Development of the Control Techniques on Ship Autopilot
CHENG Qi-ming , L IU Qi-ming , WANG Zhi-hong , SUN Gan-chao
(Yancheng Institute of Technology , Jiangsu Computer Information Processing Techniques Lab., Suzhou U niversity Yancheng 224003 , China)
(1) 专家控制 专家系统是人工智能 应用领域最成 功的分支之
一 , 始于 60 年代中期 。 80 年代 , 专家系统的概念和 方法引入控制领域 , 促进了专家控制系统的研究和应 用 , 实际上可视为通过计算机模拟人的经验来实现复 杂系统的控制 。 大多数专家系统主要由知识库 、 推理 机 、 解释机制 、 知识获取器四部分组成 。专家控制可 定义为具有模拟专家智能的功能 、 采用专家系统技术 与控制理论相结合的方法设计的控制系统 。
于是出现了第四代的智能舵 。智能舵的控制方法有 3 种 , 即专家系统 、 模糊控制和神经网络控制 。
此外 , 90 年代前 , 船 舶上安装的自动舵一般只 能进 行航 向控 制 。 随着 在 船上 装 备全 球 定 位系 统 (GPS)等先进导航设备 , 人们开始设计精确的航迹 控制自动舵 , 将船舶控制在给定的计划航线上 。
(5) Lim 使用 Clarke 提出的基于条件代价函数的 自校正方法 , 此法的控制器输出被明确地加到性能标 准公式中 。 自校正自动舵能用每个取样时刻的 Ricat ti 方程稳态解的计算值来设计 , 航向保持和航向改变采 用不同的性能标准 。 对一个含有未知参 数的系统来 说 , 由于波浪会使船舶动态特性发生变化 , 因而需要 采用在线辨识技术识别动态参数 。 此方法存在的主要
对有限维 、 线性 、 时不变的控制过程 , 传统控制 法是有效的 。如果这样的系统是充分已知的 , 就能用 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 人工操作者通过对所遇情况的处理经验和智能的理解
综 述
文章编号 :1007 -0257(2000)06 -0001-04
计 算 机 自 动 测 量 与 控 制 .2 0 0 0 .8(6) Computer Automated Measurement & Control
船舶自动舵控制技术发展研究
程启明 , 刘其明 , 王志宏 , 孙干超
(盐城工学院计算机系和 苏州大学江苏省计算机信息处理技术重点实验室 , 江苏 盐城 224Hale Waihona Puke Baidu03)
对海浪高频干扰 , P ID 控制过于敏感 , 为避免高
第8卷
计算机自动测量与控制
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频干扰引起的频繁操舵 , 常采用 “死区” 非线性天气 调节 , 但这导致控制系统低频特性恶化 , 产生持续的 周期性偏航 , 降低航行精度 , 加大能量消耗 。
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)变化时 , 需连续地进行人 工整定控制参数 , 采用控制参数不合适的控制器将导 致较差的控制效果 , 如操舵幅度大 、操舵频繁等 。 而人 工整定参数很麻烦 , 为此人们提出自适应控制方法 。 2.2 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 。 目前船舶操纵 中提出的自适应方 法[ 4] 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 , 并且还处于不断的发展 过程中 。
收稿日期 :2000-07-25 基金项目 :江苏省 跨世纪 学科 带头人 科研 基金 项目(苏 科 教技[ 1998] 50 号);江苏省计 算机信息 处理技 术重点 实验室 开 放课题基金项目(苏大科[ 2000] 07 号)。 作者简 介 :程启明(1965 -), 男 , 江苏省 盐城 市 人 , 省跨 世 纪学科带头人 , 已 发表论 文 90 多篇 , 编书 8 部 , 主要 从事微 机 测量与控制 、智能控制理论与应用 、数字信 号处理 、生物医学 工 程等的研究 。
(2)M erlo 等的随机自适应法包含一个由海浪自 回归滑动平均模型中的海浪功率谱决定的参数 , 即假 定代价函数是航向偏差和操舵角的均方加权函数 , 其 目标是使代价函数值最小 。 此法与 Mo tora 提出的方 法类似 。
(3)Akaike 提出 多变 量 随机 系统 的辨 识方 法 , 此法是在 Oht su 等提出的方法基础上发展起来的 , 它 的模型取决于最小 Akaike 信息标准 , 代价函数依赖 于被控变量的偏差 、 控制信号大小 (舵角)和控制信 号变化率的补偿值 。
当横向风引起下风或上风力矩干扰时 , 为保持航 向不变 , 应再加上航向偏差的积分项 , 这就是著名的 比例 -微分 -积分 (P ID)控 制 , 其中 的比 例 、 微 分 、 积分项分别体现了对误差的线性缩放 、 记忆 、 改 变趋势作用 。根据 M ort 的论文 , 加入积分项可能降 低舵的响应速度 。为抵消船舶反应迟钝的影响 , 又加 入一 个 加速 项。 整 定好 这 些比 例、 微 分、 积 分 (PID)等控制参数 , 就能得到较好的操纵性能 。
摘要 :介绍 与比较了船舶操纵的各种 自动舵 控制方 法 , 船舶自 动舵可 分为四 个发展阶 段 , 即机 械舵 、 PI D 舵 、 自 适应舵和智能舵 , 其中智能舵为目前最先进的自动舵 , 它又分为专家系统 、 模糊舵和神经网络舵 。
关键词 :船舶操纵 ;自动舵 ;PID 控制 ;自适应控制 ;智能控制 中图分类号 :T P273;U66 文献标识码 :A
化为线性可控正则型 , 以简化控制设计并保证较大工 作范围内的控制性能与精度 , 然后对线性化系统设计 一种连续的变结构控制 , 以适应较大范 围的干扰变 化 , 从而完全抑制抖振而得到理想的精度 。
总之 , 自适应控制技术不仅与代价函数的估计值 有关 , 而且与建立精确的扰动模型有关 。在船舶宽广 的工作条件下 , 自适应舵并不能提供完全自动的最优 操作 。 2.3 智能控制
与解释 , 就可有效地控制船舶航行 。因此 , 人们很自 然地开始寻找类似于人工操作的智能控制方法 。
智能控制虽有 20 多年的发展历史 , 但仍处于开 创性研究阶段 , 最多可以说进入了初期发展阶段 。目 前 , 国内外智能控制研究的方向及内容主要有智能控 制的基础理论和方法研究 、 智能控制系统结构研究 、 基于知识系统的专家控制 、 基于模糊系 统的智能控 制 、 基于神经网络的智能控制 、 基于信息论和进化论 (遗传算法)的学习控制 、 基于学习及适应性的智能 控制研究等 。
(1)Sugimoto 提出的自适应 PID 设 计法是把自 适应思想引入 到 P ID 控制器设计中 , 着重解决自适 应函数的波浪条件识别问题 。 该函数根据波浪条件信 号 、 船速和载重情况选择最佳控制参数送给控制器和 卡尔曼滤波器 , 其中采用海洋分析器测量波浪 , 测量 的结果用于计算波浪条件指标 。