王勇

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自抗擾控制在船舶自動(dòng)舵上的應(yīng)用

王勇

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院航海系，山東青島 266071）

本文回顧了船舶自動(dòng)舵的發(fā)展歷程，分析了傳統(tǒng)自動(dòng)舵在應(yīng)用上的不足之處。同時(shí)介紹了自抗擾控制器的原理，嘗試?yán)米钥箶_技術(shù)設(shè)計(jì)出更理想的船舶自動(dòng)舵系統(tǒng)。

自動(dòng)舵 發(fā)展 自抗擾控制 原理

0 引言

海運(yùn)一直被視為最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式。頻繁的海運(yùn)就要求船舶航行具備更好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。船舶在海運(yùn)和開發(fā)資源的過程中起到了不可替代的作用，而船舶是借助螺旋槳的推力和舵力來控制其運(yùn)動(dòng)的，因此，對(duì)控制船舶運(yùn)動(dòng)的操舵系統(tǒng)的研究也就成為了一個(gè)重要的課題。自1922年第一臺(tái)自動(dòng)舵問世到今天，它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操舵減輕了舵手的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了燃料，降低了機(jī)械磨損。船舶航行時(shí)，在相同的航行條件下，可以減少偏航次數(shù)和偏航值，從而提高實(shí)際航速，縮短航程和航行時(shí)間，節(jié)省燃料，提高航行的經(jīng)濟(jì)效益。

1 自動(dòng)舵的發(fā)展歷程

船舶自動(dòng)操舵儀（自動(dòng)舵）是控制船舶航向的重要裝置。他是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，包括：航向給定環(huán)節(jié)、航向檢測環(huán)節(jié)、給定航向與實(shí)際航向比較環(huán)節(jié)、航向偏差與舵角反饋比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、舵、舵角反饋機(jī)構(gòu)等。

自動(dòng)舵的發(fā)展可以大致分為四個(gè)發(fā)展階段：即機(jī)械式自動(dòng)舵、PID自動(dòng)舵、自適應(yīng)自動(dòng)舵和智能自動(dòng)舵。

19世紀(jì)20年代德國的Aushutz和美國的Sperry分別研制出了第一代自動(dòng)舵系統(tǒng)。該自動(dòng)舵系統(tǒng)是自動(dòng)舵的雛形，以機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用“比例（P)控制”方法，僅能對(duì)航向進(jìn)行初步控制，此自動(dòng)舵的使用降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。但“比例控制”法用于大型船舶的效果并不理想，因?yàn)楦呖刂圃鲆鏁?huì)造成航行振蕩，使船舶在設(shè)定的航向兩邊來回?cái)[動(dòng)，結(jié)果使自動(dòng)舵的轉(zhuǎn)動(dòng)部分過度磨損，加大了燃料的消耗。

1949年，由Schiff等人在“比例控制”方法的基礎(chǔ)上引入了速率控制的概念，即速率控制與偏航角的微分成正比，這種方法稱為“比例和微分（PD)控制”方法。這種方法使船舶航行時(shí)的偏舵角與偏航角及偏速率相關(guān)，在自動(dòng)操舵時(shí)航向的準(zhǔn)確性得到了提高。1972年，由Bech等人在PD控制系統(tǒng)中加入低頻濾波器，使船舶在保持航向穩(wěn)定時(shí)減少舵機(jī)的高頻運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上就是在PD控制系統(tǒng)上加入了積分器(I)，所以具有這種形式的控制器稱作比例-微分-積分控制器，即PID控制器。其中的積分環(huán)節(jié)依靠累計(jì)偏航角值，使舵葉自動(dòng)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角度，形成恒定的轉(zhuǎn)船力矩，抵消外界因素造成的持續(xù)力矩的影響。由于PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)調(diào)整方便、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，在上世紀(jì)八十年代以前，PID控制的自動(dòng)舵幾乎占據(jù)了所有的自動(dòng)舵市場。這種自動(dòng)舵被稱為第二代自動(dòng)舵。但第二代自動(dòng)舵仍然有許多缺陷，因?yàn)樗蕾囉诖暗拇_定數(shù)學(xué)模型。而船舶的運(yùn)動(dòng)特性和擾動(dòng)特性受外界因素影響明顯，所以船舶的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型與擾動(dòng)模型都具有明顯的不確定性。因此第二代自動(dòng)舵不能自動(dòng)適應(yīng)外界因素的變化，而PID參數(shù)也無法隨著航行情況的變化進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，具體表現(xiàn)為操舵頻繁、操舵幅度大等，對(duì)舵機(jī)造成嚴(yán)重的磨損。

20世紀(jì)70年代，伴隨著海運(yùn)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，船舶的噸位急劇上升，造成船舶操縱難度加大，增加了航行時(shí)的危險(xiǎn)性。為此，人們開始求助現(xiàn)代控制理論，針對(duì)PID舵存在的問題，提出了自適應(yīng)控制方案。早期的自適應(yīng)自動(dòng)舵控制法是1975年由Oldenburg等人提出的，采用直接推斷法對(duì)PID舵進(jìn)行修正。1977年，Kallslrom和Astrom提出了自校正自適應(yīng)控制法。1982年，VanAmerongen提出了模型參考自適應(yīng)控制理論。1990年Fairbairn和Grimble將魯棒控制設(shè)計(jì)法應(yīng)用到了自動(dòng)舵上。最終經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)船測試，船舶自適應(yīng)控制方案獲得了成功，一種既能夠適應(yīng)復(fù)雜的海上環(huán)境，又能使船在高速航行下保證安全性的新型自動(dòng)舵應(yīng)運(yùn)而生。這就是第三代自動(dòng)舵。但是自適應(yīng)控制方法受價(jià)值函數(shù)中的參數(shù)和動(dòng)力學(xué)環(huán)境干擾的模型試驗(yàn)影響，無法在船舶所處的復(fù)雜環(huán)境中提供最佳、全面的自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。

20世紀(jì)80年代，隨著科技的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)在人工智能方面也有了長足的發(fā)展。人們開始著手研究“人工智能操舵系統(tǒng)”，這就是第四代自動(dòng)舵，即智能舵。智能舵主要有以下三種控制方法：即專家級(jí)智能系統(tǒng)、模擬邏輯控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，專家系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)開發(fā)新的數(shù)學(xué)模型，它有別于參數(shù)識(shí)別的物理模型。模糊邏輯控制器則是將接收到的性能參數(shù)以矩陣格式形成控制規(guī)則。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器最簡單的方法是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能模仿在各種復(fù)雜環(huán)境下PID自動(dòng)舵的操舵動(dòng)作，當(dāng)學(xué)習(xí)結(jié)束后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器便可獨(dú)立執(zhí)行操舵功能，從而達(dá)到取代PID自動(dòng)舵的目的。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，各種新的控制算法，如變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、預(yù)測控制、精確反饋線性化、反步法等又相繼應(yīng)用于船舶航向控制，取得了一定的進(jìn)展。但也暴露了這些算法存在的一些問題，如變結(jié)構(gòu)控制存在抖振；魯棒控制、廣義預(yù)測控制、精確反饋線性化、反步法等對(duì)被控對(duì)象模型要求較高，算法不易被工程設(shè)計(jì)人員掌握等缺點(diǎn)。

2 自抗擾控制器的原理

自抗擾控制器（ADRC）是在對(duì)傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行分析和改進(jìn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。針對(duì)PID控制的局限性，構(gòu)造出非線性PID控制器，在根據(jù)反饋線性化原理，設(shè)計(jì)出能動(dòng)態(tài)估計(jì)模型內(nèi)擾和外擾的狀態(tài)觀測器，從而構(gòu)造出這種新型的非線性控制器。它繼承了PID不依賴于被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有無需測量系統(tǒng)的擾動(dòng)、算法簡單、容易實(shí)現(xiàn)解耦控制等優(yōu)點(diǎn)。

自抗擾控制器是在反饋線性化的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的新型控制器，由過渡過程(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 (ESO)、非線性誤差反饋控制律(NLSEF)三部分組成。二階自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二階自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)圖

跟蹤微分器具有跟蹤和提取微分的作用，它能很好的對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行跟蹤和平滑處理，持續(xù)對(duì)輸出量進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，它能實(shí)時(shí)跟蹤被控對(duì)象的輸出曲線，并可起到濾波的作用。擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器用來解決模型未知部分和外部未知擾動(dòng)綜合對(duì)控制對(duì)象的影響。擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器設(shè)計(jì)了一個(gè)擴(kuò)展的狀態(tài)量來跟蹤模型未知部分和外部未知擾動(dòng)的影響。然后給出控制量補(bǔ)償這些擾動(dòng)。將控制對(duì)象變?yōu)槠胀ǖ姆e分串聯(lián)型控制對(duì)象。設(shè)計(jì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器的目的就是觀測擴(kuò)展出來的狀態(tài)變量，用來估計(jì)未知擾動(dòng)和控制對(duì)象未建模部分，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的反饋線性化，將控制對(duì)象變?yōu)榉e分串聯(lián)型。非線性誤差反饋控制律給出被控對(duì)象的控制策略。

3 自抗擾控制自動(dòng)舵的實(shí)現(xiàn)

船舶航向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型可以看作是由舵機(jī)模型和船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型串聯(lián)的系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)為雙ADRC的船舶航向控制系統(tǒng)。其中，ADRC1是整個(gè)船舶系統(tǒng)的控制器(二階)，ADRC2是舵機(jī)機(jī)構(gòu)的控制器(一階)。如果按照從內(nèi)環(huán)到外環(huán)的順序來整定控制器參數(shù)，需要首先確定ADRC2的參數(shù)，然后調(diào)整ADRC1的參數(shù)。但是這個(gè)方案需調(diào)整的參數(shù)比較多，設(shè)計(jì)的難度非常大。航向控制器設(shè)計(jì)的最終目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)航向的準(zhǔn)確保持與跟蹤，可以將舵機(jī)機(jī)構(gòu)和船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型作為一個(gè)整體，來實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的控制，這樣可以簡化了控制器的設(shè)計(jì)，圖2為這種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)圖，其中ADRC為二階自抗擾控制器。自抗擾控制自動(dòng)舵是可采用這種方案來實(shí)現(xiàn)。

圖2 自抗擾控制結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

自抗擾控制自動(dòng)舵這一新的非線性控制方法，通過安排過渡過程、提取微分信號(hào)、應(yīng)用非線性組合、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器與擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償?shù)冗^程，組建自抗擾控制器。從計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)結(jié)果來看，該技術(shù)是不依賴于被控對(duì)象精確模型的新型實(shí)用數(shù)字控制技術(shù)。測試結(jié)果表明使用自抗擾控制技術(shù)的船舶自動(dòng)操舵儀不但能減少人工操作，提高航行安全性，而且還有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，性能穩(wěn)定可靠，為船舶自動(dòng)舵的研究開辟了一條新的方向。

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[5] 鄭為民，黃義新. 船舶自動(dòng)舵技術(shù)的回顧與展望. 航海技術(shù)，2007.

Application of ADRC in the Ship Autopilot

Wang Yong

(Department of Marine, Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China)

TP273.2

A

1003-4862（2014）02-0024-03

2013-04-24

王勇(1982-)，男，碩士研究生。研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。