基于自适应动态面的航向跟踪控制器设计
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实验 确 定 。 在航 向改 变 中 ， 望 用 期 望 首 向角 代 替 航 希 向变 化 的设定 参 考 信 号 ，一 种 简单 的 方法 是应 ， 用模 型参 考技 术 。本 文 采用参 考 模型
Ｘ ｄ ｒ （） ２
参 数和外 界 干 扰 的 不 确 定 性 。近 年 来 ， 不确 定 非 线 性系统 的 自适 应控 制 得到 了很 大 发展 。特 别是 反 步法 ， 它在实 现不确 定非 线 性 系统 （ 特别 是 当干 扰或 不确定 性 不满 足 匹 配条 件 时 ） 的鲁 棒 控制 或
目前 ， 各种 先 进 的控 制 算 法 应 用 到船 舶 航 向 控制 取得 了较好 的控 制效 果 。但 是 在绝 大 多数 的 船舶航 向控 制 器设 计 中 ， 略 了船 舶 操 纵 运 动 的 忽 非线 性 因 素 ， 遍 采 用 Ｎ ｍ ｔ 性 模 型 进 行 设 普 ｏｏ ｏ线 讳 。同时 由于航 速 、 载 以及 航 行 中风 、 、 等 装 浪 流
１ ＝ ２
将式 （ ） ７ 代入 （ １ 得 １）
Ｖ ２ １ ＋ ＜ ￣ Ｓ２ １ ．２ ）
１
２ ＋
ｙ 一 ２
＋） ，
Ｙ Ｌ
＿
２
＋ Ｂ
圣 ＝ ２ ２ ０ｘ ＋ ＋△ ２ ０Ｘ ＋ ２； ６３ １ ２
．
ｒ，
１
一 ， ＋
（） ４
（ ｄ ） Ｓ ， ）
制器的设计参数加 以调整。以 中远集装箱船 Ｃ Ｓ ＯＳ ａｇａ 号为例进行仿 真研 究， Ｏ Ｃ ｈｎｈｉ 结果证 明 所设计 的控制 器是 有效 的 。
关键 词 ： 舶航 向 自适 应动 态 面控 制 递推 方法 船 干扰
中图分类 号 ： ６ ５ １ Ｕ ６ ．４
文 献标识 码 ： Ａ
提
青 岛 ２６７ ） ６０ １
要 ： 对船舶航 向控 制 非 线性 系统模 型 中存 在 的 不确 定性 和 外界 干扰 的影 响 ， 用动 针 采
态面控 制 算法设 计 了一种 鲁棒 自适应控 制 器 。 由于在 反 步 法设 计 过程 中加 入 了一 阶低 通 滤 波
器使得 该方 法无 需对模 型 非线性 多次微 分 ， 因而设 计 方法 简单 。所设计 的鲁棒 自适 应控 制 器 不 仅 能保 证 闭环 系统 的半 全局 渐近稳 定 ， 得输 出渐进 跟踪 期 望轨迹 ； 使 而且 ， 踪误 差 可 以通过 控 跟
（ ２ １）
取 ｋ ＝ ｙ， １ ２＋ 则
Ｙ
１
，一； Ｊ ２２ｌ １ ≤ｙ＋ｓ １一 ＋２ ３ ｓ÷ ＋ １（） ； ｙ ８
第二步 ： 定义第二个动态面 Ｓ ＝ 一 ， 时 ： 其
间导数 为 ＝ 】２ ２ ＋ ｘ 一 ｄ ＋２ ｂ３ ２ （４ １）
自适应 控 制 方 面有 着 明 显 的 优 越 性 。但 是 ， 步 反 法在虚 拟控制 量求 导过 程 中 导致 了系统 方 程微 分 项 的膨 胀 ， 制器 设 计 非 常 复 杂 。本 文 就 是 在 这 控
式 中 是设 计 参数 控 制 响应 速 度 ， 为设 定
航 向变化 的指令 信号 ， 为期 望 航 向 的光 滑 参 考
２１ 年第４ ００ 期
青 岛远洋船员学院学报
Ｖ Ｌ３ Ｏ４ Ｏ ．１ Ｎ ．
文 章 编 号 ：６ １ ９ ６ ２ １ ） ４一 ｏ ５一 ４ １７ —７９ （００ ｏ ｏ ３ ｏ
基 于 自适 应 动 态 面 的 航 向跟 踪 控 制 器 设 计
孙红 英 于风 卫
（ 岛远洋 船员 职业 学 院机 电系 ， 青 山东
在船舶航 向 自动 舵 的设 计 中 ， 舶 航 向控 制 船
收稿 日期 ：０ ０—１ ２１ １—１ １ 第一 作 者 简 介 ： 孙红 英 （９ ４一 ） 女 ， 师 １７ ， 讲
wk.baidu.com
－
３ ・ ５
２１ 年第 ４ ００ 期
青 岛远 洋 船员 学 院学 报
￣ Ｓ２＋ ＜２ １ ２＋ ２ １
针对 系统 中部 分 参 数 未 知 的情 况 ， 助 自适 应 方 借 法来 实现航 向跟 踪控制 器 的设计 。
１ 船舶航 向非线性 数 学模型
》
（ ３ ）
装载 及航 速等变 化 时 系统 模 型 参 数将 发 生较 大波 动 ， 此时控 制器 参数 很 难合 适 确 定 ， 因此 在这 里 假 设 参数 、 均为 未 知 常参 数 ， 到 包 含舵 Ｋ、 得
外 界干扰 的影 响 ， 舶航 向控 制 系 统 存 在 着 系 统 船
系统 采用 Ｎ ． ｉ 型 ］ ｏ ｂｎ模 ：
＋ ＋／ ＝ ｒ ｏ＂ 硒 ／ （） １
式 中 ｒ 首 摇 角 速 率 ， 舵 角 ， 为 时 间 常 为 ６为
数， Ｋ为增益 ， 为 Ｎ ． ｉ ｏｂ ｎ系数 ， 其值可 由螺旋桨
：
Ｖ Ｌ３ Ｎ ． Ｏ ．１ Ｏ４
： 一 ＋ ２： ｙＹ （ １ １）
机 特性 的航 行 控制 系统 模 型 。为 了设 计 需 要 ， 选 取 状态变 量 ＝ ， ＝ｒ ＝ ， 制量 ＝ ， ， ６控 考 虑 舵机特 性 的船舶 航 向非 线性模 型如下 ：
轨迹。
样 的背景下 ， 动 态 面 控 制 算 法 引 入 到 船 舶 航 向 将
为获得 良好 的航 向控制性 能， 还应考 虑舵机
伺 服 系统 的特性 ， 舶 舵 机 的动 力 特性 可 以描 述 船
为：
一 ＋
控制中。该算法 的核心是在每一步使用一阶积分 滤波器来 估计 虚 拟 控 制 输 入 的 导 数 ， 避 免 了系 既 统 的项数膨 胀 问题 ， 善 了系统 的动 态特 性 ， 时 改 同
其 ，＝寺 一，等 ，为 中 一， 号６ ， ： ＝
未 知常参 数 ， 控制增 益 ｂ为未 知 常参数 ， 但符 号 已
知， △为干扰 ， Ａ ＝Ａ／ 。根据工程实践 ， Ｔ 通常假 设外界干扰是有界 的， 即有 Ｉ ≤ 。其 中， △ｉｐ ｐ为 未 知 的常数 。
Ｘ ｄ ｒ （） ２
参 数和外 界 干 扰 的 不 确 定 性 。近 年 来 ， 不确 定 非 线 性系统 的 自适 应控 制 得到 了很 大 发展 。特 别是 反 步法 ， 它在实 现不确 定非 线 性 系统 （ 特别 是 当干 扰或 不确定 性 不满 足 匹 配条 件 时 ） 的鲁 棒 控制 或
目前 ， 各种 先 进 的控 制 算 法 应 用 到船 舶 航 向 控制 取得 了较好 的控 制效 果 。但 是 在绝 大 多数 的 船舶航 向控 制 器设 计 中 ， 略 了船 舶 操 纵 运 动 的 忽 非线 性 因 素 ， 遍 采 用 Ｎ ｍ ｔ 性 模 型 进 行 设 普 ｏｏ ｏ线 讳 。同时 由于航 速 、 载 以及 航 行 中风 、 、 等 装 浪 流
１ ＝ ２
将式 （ ） ７ 代入 （ １ 得 １）
Ｖ ２ １ ＋ ＜ ￣ Ｓ２ １ ．２ ）
１
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ｙ 一 ２
＋） ，
Ｙ Ｌ
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（ ｄ ） Ｓ ， ）
制器的设计参数加 以调整。以 中远集装箱船 Ｃ Ｓ ＯＳ ａｇａ 号为例进行仿 真研 究， Ｏ Ｃ ｈｎｈｉ 结果证 明 所设计 的控制 器是 有效 的 。
关键 词 ： 舶航 向 自适 应动 态 面控 制 递推 方法 船 干扰
中图分类 号 ： ６ ５ １ Ｕ ６ ．４
文 献标识 码 ： Ａ
提
青 岛 ２６７ ） ６０ １
要 ： 对船舶航 向控 制 非 线性 系统模 型 中存 在 的 不确 定性 和 外界 干扰 的影 响 ， 用动 针 采
态面控 制 算法设 计 了一种 鲁棒 自适应控 制 器 。 由于在 反 步 法设 计 过程 中加 入 了一 阶低 通 滤 波
器使得 该方 法无 需对模 型 非线性 多次微 分 ， 因而设 计 方法 简单 。所设计 的鲁棒 自适 应控 制 器 不 仅 能保 证 闭环 系统 的半 全局 渐近稳 定 ， 得输 出渐进 跟踪 期 望轨迹 ； 使 而且 ， 踪误 差 可 以通过 控 跟
（ ２ １）
取 ｋ ＝ ｙ， １ ２＋ 则
Ｙ
１
，一； Ｊ ２２ｌ １ ≤ｙ＋ｓ １一 ＋２ ３ ｓ÷ ＋ １（） ； ｙ ８
第二步 ： 定义第二个动态面 Ｓ ＝ 一 ， 时 ： 其
间导数 为 ＝ 】２ ２ ＋ ｘ 一 ｄ ＋２ ｂ３ ２ （４ １）
自适应 控 制 方 面有 着 明 显 的 优 越 性 。但 是 ， 步 反 法在虚 拟控制 量求 导过 程 中 导致 了系统 方 程微 分 项 的膨 胀 ， 制器 设 计 非 常 复 杂 。本 文 就 是 在 这 控
式 中 是设 计 参数 控 制 响应 速 度 ， 为设 定
航 向变化 的指令 信号 ， 为期 望 航 向 的光 滑 参 考
２１ 年第４ ００ 期
青 岛远洋船员学院学报
Ｖ Ｌ３ Ｏ４ Ｏ ．１ Ｎ ．
文 章 编 号 ：６ １ ９ ６ ２ １ ） ４一 ｏ ５一 ４ １７ —７９ （００ ｏ ｏ ３ ｏ
基 于 自适 应 动 态 面 的 航 向跟 踪 控 制 器 设 计
孙红 英 于风 卫
（ 岛远洋 船员 职业 学 院机 电系 ， 青 山东
在船舶航 向 自动 舵 的设 计 中 ， 舶 航 向控 制 船
收稿 日期 ：０ ０—１ ２１ １—１ １ 第一 作 者 简 介 ： 孙红 英 （９ ４一 ） 女 ， 师 １７ ， 讲
wk.baidu.com
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２１ 年第 ４ ００ 期
青 岛远 洋 船员 学 院学 报
￣ Ｓ２＋ ＜２ １ ２＋ ２ １
针对 系统 中部 分 参 数 未 知 的情 况 ， 助 自适 应 方 借 法来 实现航 向跟 踪控制 器 的设计 。
１ 船舶航 向非线性 数 学模型
》
（ ３ ）
装载 及航 速等变 化 时 系统 模 型 参 数将 发 生较 大波 动 ， 此时控 制器 参数 很 难合 适 确 定 ， 因此 在这 里 假 设 参数 、 均为 未 知 常参 数 ， 到 包 含舵 Ｋ、 得
外 界干扰 的影 响 ， 舶航 向控 制 系 统 存 在 着 系 统 船
系统 采用 Ｎ ． ｉ 型 ］ ｏ ｂｎ模 ：
＋ ＋／ ＝ ｒ ｏ＂ 硒 ／ （） １
式 中 ｒ 首 摇 角 速 率 ， 舵 角 ， 为 时 间 常 为 ６为
数， Ｋ为增益 ， 为 Ｎ ． ｉ ｏｂ ｎ系数 ， 其值可 由螺旋桨
：
Ｖ Ｌ３ Ｎ ． Ｏ ．１ Ｏ４
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机 特性 的航 行 控制 系统 模 型 。为 了设 计 需 要 ， 选 取 状态变 量 ＝ ， ＝ｒ ＝ ， 制量 ＝ ， ， ６控 考 虑 舵机特 性 的船舶 航 向非 线性模 型如下 ：
轨迹。
样 的背景下 ， 动 态 面 控 制 算 法 引 入 到 船 舶 航 向 将
为获得 良好 的航 向控制性 能， 还应考 虑舵机
伺 服 系统 的特性 ， 舶 舵 机 的动 力 特性 可 以描 述 船
为：
一 ＋
控制中。该算法 的核心是在每一步使用一阶积分 滤波器来 估计 虚 拟 控 制 输 入 的 导 数 ， 避 免 了系 既 统 的项数膨 胀 问题 ， 善 了系统 的动 态特 性 ， 时 改 同
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未 知常参 数 ， 控制增 益 ｂ为未 知 常参数 ， 但符 号 已
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