船舶运动控制新进展

船舶运动控制 已经成为智能 船舶自主控制 的核心
船舶运动控制很重要
现代航海对控制的要求
控制目标
稳
准
快
控制实践
节
经
简
落实到船舶运动控制领域，即是国际海事组织(IMO)新提 出的航海所追求的目标：“清洁海洋上安全、保安和高效的航 运 (Safe, Secure and Efficient Shipping on Clean Oceans)”，清洁海洋体现了经济；安全、保安体现了稳定； 高效的航运体现了准确、快速、节能、算法简单。
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船舶运动控制的5类情况
大洋航行自动导航问题
速度
海洋环境条件
船舶运动镇定控制： 减摇、动力定位
自动化水平
无人水面船舶的控制
港区航行及自动靠离 泊问题
拥挤水道航行及大洋 航行的自动避碰问题
自动舵各种控制策略研究中最核心的问题在于寻求确定函
数f1，f2 的方ຫໍສະໝຸດ 并得到这两个函数的最终结果。确定函数f1， f2 的方法比较多，八仙过海、各显神通。
船舶运动控制研究的基本问题
船舶动态具有大惯性特点，万吨级油轮的时间常数可 达百秒以上，对操舵的响应缓慢，其控制更为困难。
在操舵伺服子系统中存在着饱和、时滞和继电器特性 等非线性因素，这些是采用某些线性控制理论所设计的自 动舵控制算法之效果与研究者的期望相差甚远的根本原因。
显然，这是研究者追求的最终目标！
船舶自动舵研究的发展趋势
智能船舶的核心控制技术是导航的智能化， 体现在自动舵上就是使船舶操纵控制更智能化、 更容易化、更网络化。因此自动舵研究将朝着 算法先进化、功能综合化、实现网络化、使用 简单化和装备国产化5个方向发展。
大洋航行的自动导航(我们的研究)
原来靠航海经验，现在通过理论计算。
基于动态虚拟船 形的制导算法
原理
YE
Real ship
Dynamical virtual ship
Guidance virtual ship
Wi1
Wi1 Wi
OE
XE
自动避碰(我们的研究) 6级海况下仿真测试 (11个静态障碍物、7条船)
建立一个简单数学模型，然后做回转实验，与实船的结果符合度为86.7%。
控制的基础是数学模型
船舶建模与控制实例
育鲲
建立一个简单数学模型，然后做回转实验，与实船的结果符合度为88.1%。
简单数学模型精度 不高，用于控制器 设计尚可，用于航 海模拟器的数学模 型要用复杂的数学 模型！
船舶自动舵
船上保持航向和航迹的控制设备
航迹保持要求用舵角 δ 克服环境干扰把船舶的运动轨迹维
持在设定航迹上，这时不但要消除航迹误差 η，而且要消除航
向误差 Δψ = ψr - ψ 。
δ = f2 (Δψ,r,η)
船舶自动舵
船舶自动操舵仪 航向保持： 航迹保持：
δ = f1(Δψ,r)
δ = f2 (Δψ,r,η)
不能只是与众不同， 还要更稳、更准、更 快、更节能、更经济、 更简单！
2维波谱环境下的机理波浪(方 向谱、频率谱)
无人船及自主靠泊(我们的研究)
自
自
主
主
靠
避
泊
障
中国船级社编制发布《智能船舶规范》
• 由中国船级社（CCS）编制的《 智能船舶规范》在中国国际海 事会展期间正式对外发布， 2016年3月1日生效。
• 《智能船舶规范》中定义：“ 智能船舶指利用传感器、通信 、互联网等技术手段，自动感 知信息和数据，并通过自动控 制技术和大数据处理分析技术 来实现智能化运行。”
客观世界是复杂、多变的，不存在没有不确定性、干扰、 不精确性的被控过程及量测手段。
船舶运动控制研究的基本问题
一个控制器如果能够在被控过程存在不确定性、 干扰及量测不精确性条件下使闭环控制系统稳定，称 该系统具有鲁棒稳定性(Robust Stability)；
若在此基础上系统同时满足规定的性能指标，则 称之为具有鲁棒性能(Robust Performance)。
船舶运动控制研究的基本问题
一 个 控 制 器 如 果 在 被 控 过 程 处 于 标 称 条 件 (Nominal condition)下(即过程模型不存在不确定性、环境无干扰、 量测无误差)使闭环控制系统稳定，则称该系统具有标称稳 定性；
如果此时闭环系统的动态性能也满足规定的要求(例如满 足最大超调量和调节时间等要求)，称该系统具有标称性能。
船舶运动控制新进展
船舶运动控制很重要
海上航行充满了风浪雾礁的危险，如何科学地操纵和控制船舶，使之 安全、准时到达目的港，是一个生命攸关影响重大的问题。
为了掌握船舶运动规律和船舶驾控技术，人类已经奋斗了多个世纪。
手动发展到自动
单个系统的自动化提高到 综合自动化
简单的控制装置发展成 计算机化、网络化的体系结构
航速变化和装载增减最终导致船舶运动数学模型的参 数甚至结构产生摄动(Perturbation)，这就是研究者甚 感棘手的不确定性。
船舶运动控制研究的基本问题
风、浪、流的存在从实质上讲也会转换成船舶模 型的参数和结构的摄动，即干扰同样引起不确定性。
在对船舶运动进行闭环控制时，获得反馈信息的 量测手段也不可能是完善的，一些重要的量测数据例 如航向、船位等都有一定的误差，后者呈现为一种随 机噪声，因而我们不得不面对量测信息的不精确性。
程和自动驾驶船舶非常重要，这将决定船舶在接收到 传感信号后如何做出反应、采取何种行动； • 第三是对通讯和互联的探索，自动船舶仍然需要来自 岸上的指令，因而保证岸上操作人员和船舶的沟通也 很重要。
控制的基础是数学模型
船舶建模与控制实例
育鹏(大连海事大学最新3万吨实习船，2017.5首航，3.4亿元)
无人船的3大关键技术
• 英国双罗公司副总裁Oskar Levander：未来如何能 够将无人驾驶船技术与船舶环境高度融合？
• 基于以下3大技术进行探索。 • 首先是对传感器融合的探索，目前传感技术发展已相
当成熟，并被用于诸多自动驾驶交通工具的运行。 • 其次是对控制算法的探索，安全航行和避免碰撞对远
船舶自动操舵仪
δ = f1(Δψ,r)
N(北)
r
r
x
y
r
航向 自动舵
干扰
图1 航向保持问题图
船上保持航向和航迹的控制设备
船舶自动舵
船舶自动操舵仪
如果取 δ 与Δψ 和 r 成线性关系，就得到比例－微分(PD)
舵，这是广泛应用的一种控制律，可初步满足通常情况下的航 向保持要求。为提高控制性能，必须引用各种先进的控制策略。