船舶運(yùn)動(dòng)控制概述(20210226081329)

1、船舶運(yùn)動(dòng)控制概述 隨著經(jīng)濟(jì)全球化的加劇， 現(xiàn)代物流業(yè)飛速發(fā)展， 市場對進(jìn)出口的需求越發(fā)的加大， 造成 了與之相應(yīng)的航運(yùn)自動(dòng)化的繁榮發(fā)展， 各種新的控制算法不斷地應(yīng)用于傳播控制以提高營運(yùn) 的經(jīng)濟(jì)效益。 作為大連海事大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生， 我們有必要了解船舶相關(guān)的知識， 包括 船舶運(yùn)動(dòng)控制， 船舶控制系統(tǒng)， 船舶導(dǎo)航等的相關(guān)知識。 并將儲(chǔ)備的知識運(yùn)用到以后的學(xué)習(xí) 與工作中。 一、欠驅(qū)動(dòng)船舶的控制器設(shè)計(jì) 首先我們先來聊聊船舶的驅(qū)動(dòng)。 由于船舶動(dòng)力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有非完整約束和典型的欠驅(qū)動(dòng) 特性 ,而且航行條件的變化、環(huán)境參數(shù)的嚴(yán)重干擾和測量的不精確性等又使船舶運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出 大慣性、 長時(shí)滯、非線性等特點(diǎn) ,

2、采用傳統(tǒng)的船舶控制方法已經(jīng)不能滿足控制要求,必須探索 新的船舶控制方法。 欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指由控制輸入向量空間的維數(shù)小于系統(tǒng)廣義坐標(biāo)向量空間維數(shù)的系統(tǒng)， 即 控制輸入數(shù)小于系統(tǒng)自由度的系統(tǒng) 1 。欠驅(qū)動(dòng)船舶模型一般都具有非線性運(yùn)動(dòng)方程的形式， 欠驅(qū)動(dòng)船舶模型一般都具有非線性運(yùn)動(dòng)方程的形式， 欠驅(qū)動(dòng)船舶模型一般都具有非線性運(yùn)動(dòng) 方程的形式，約束都是不可積的微分表達(dá)式 , 屬于非完整系統(tǒng)。 研究欠驅(qū)動(dòng)船舶的控制器設(shè)計(jì)也具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)船舶以較少數(shù)目 的驅(qū)動(dòng)器來完成航行任務(wù) , 降低了系統(tǒng)的費(fèi)用及重量 , 提高了營運(yùn)效益 , 同時(shí)也會(huì)因控制設(shè)備 的減少而降低船舶機(jī)械故障的發(fā)生率 ,

3、使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定而易于維護(hù)。 更為重要的是 , 欠驅(qū) 動(dòng)控制同時(shí)對船舶完全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了一種備份控制技術(shù)。 如果全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)遇故障不能正常 運(yùn)行時(shí) ,可采用欠驅(qū)動(dòng)船舶控制策略 , 利用仍在工作的控制器對船舶進(jìn)行有效控制,增大設(shè)備 出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)的可靠性。 正是由于上述原因 , 對欠驅(qū)動(dòng)船舶的控制研究得到了廣泛重視并成為控制領(lǐng)域的研究熱 點(diǎn)之一 2 。作為一種特殊的非線性控制方法 , 欠驅(qū)動(dòng)船舶控制技術(shù)的發(fā)展目前還存在著很多 問題 , 有待于更多的科技工作者致力于深入的研究。為了促進(jìn)欠驅(qū)動(dòng)船舶控制技術(shù)的發(fā)展, 本文在查閱有關(guān)資料的基礎(chǔ)上 , 對欠驅(qū)動(dòng)船舶數(shù)學(xué)模型、控制方法及其發(fā)展做了較為詳細(xì)的

4、綜述 ,并對該領(lǐng)域存在的問題以及可能的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。 如果把船舶作為一個(gè)剛體來研究 , 則船舶的運(yùn)動(dòng)有六個(gè)自由度 , 稱之為橫搖、 縱搖、艏搖、 橫蕩、縱蕩和垂蕩。考慮常規(guī)船舶水平面運(yùn)動(dòng)的控制 , 所關(guān)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 , 垂蕩、縱搖和橫搖對其水平面運(yùn)動(dòng)影響甚微 ,可以忽 略。因此水面船舶的六自由度運(yùn)動(dòng)就可以簡化為沿 x 方向前進(jìn)、 y 方向橫移及繞 z 軸旋轉(zhuǎn)（艏 搖）的三自由度運(yùn)動(dòng)。 由于船舶的推進(jìn)裝置僅裝備有螺旋槳推進(jìn)器和船舵, 也就是說系統(tǒng)只有 2個(gè)控制輸入（前向推力和旋轉(zhuǎn)力矩），但需要同時(shí)控制船舶在水平面運(yùn)動(dòng)的3個(gè)自由度，因此

5、對常規(guī)船舶平面運(yùn)動(dòng)的控制研究可歸結(jié)為欠驅(qū)動(dòng)控制問題。 上述的船舶的控制問題，船的質(zhì)量和阻尼矩陣都假定為三角陣 ，船舶模型參數(shù)和環(huán) 境干擾的不確定性也被忽略 ，都是在理想的條件下對船舶進(jìn)行鎮(zhèn)定n跟蹤控制。 二、船舶操縱的控制技術(shù)發(fā)展 船舶操縱的自動(dòng)舵是船舶系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備，隨著對航行安全及營運(yùn)需求的增 長，人們對自動(dòng)舵的要求也日益提高。本世紀(jì)20年代，美國的Sperry和德國的Ansuchz在 陀螺羅徑研制工作取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展后分別獨(dú)立地研制出機(jī)械式的自動(dòng)舵，它的出現(xiàn)是一個(gè)里程 碑，使人們看到了在船舶操縱方面擺脫體力勞動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的希望，這是第1代自動(dòng)舵。機(jī) 械式自動(dòng)舵只能進(jìn)行簡單的比例控

6、制，為了避免振蕩，需選擇低的增益，它只能用于低精度的 航向保持控制。本世紀(jì)50年代，隨著電子學(xué)和伺服機(jī)構(gòu)理論的發(fā)展及應(yīng)用，集控制技術(shù)和電 子器件的發(fā)展成果于一體的、更加復(fù)雜的第2代自動(dòng)舵問世了 ，這就是著名的PID舵。自然 PID舵比第1代自動(dòng)舵有長足進(jìn)步，但缺乏對船舶所處的變化著的工作條件及環(huán)境的應(yīng)變能 力，因而操舵頻繁，操舵幅度大，能耗顯著。 到了 60年代末，由于自適應(yīng)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了發(fā)展，人們注意到將自適應(yīng)理論引 入船舶操縱成為可能，瑞典等北歐國家的一大批科技人員紛紛將自適應(yīng)舵從實(shí)驗(yàn)室裝到實(shí)船 上,正式形成了第3代自動(dòng)舵。自適應(yīng)舵在提高控制精度、減少能源消耗方面取得了一定的 成績

7、,但物理實(shí)現(xiàn)成本高，參數(shù)調(diào)整難度大，特別是因船舶的非線性、不確定性，控制效果難以 保證,有時(shí)甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ，盡管存在這些困難，熟練的舵手運(yùn)用他們的操舵經(jīng)驗(yàn)和智 慧，能有效地控制船舶，為此,從80年代開始，人們就開始尋找類似于人工操舵的方法，這種 自動(dòng)舵就是第4代的智能舵。此外,80年代前船舶上安裝的自動(dòng)舵一般只能進(jìn)行航向控制， 它可把船舶控制在事先給定的航向上航行。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）等先進(jìn)導(dǎo)航設(shè)備在船舶 上裝備，人們開始設(shè)計(jì)精確的航跡控制自動(dòng)舵，這種自動(dòng)舵能把船舶控制在給定的計(jì)劃航線 上。 1. PID控制 直到70年代早期，自動(dòng)舵還是一個(gè)簡單的控制設(shè)備，航向偏差給操舵設(shè)備提供

8、修正信號 對海浪高頻干擾,PID控制過于敏感，為避免高頻干擾引起的頻繁操舵，常采用“死區(qū)”非線 性天氣調(diào)節(jié)，但死區(qū)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的低頻特性惡化，產(chǎn)生持續(xù)的周期性偏航，這將引起航行 精度降低,能量消耗加大3。 此外，當(dāng)船舶的動(dòng)態(tài)特性（速度、載重、水深、外型等）或外界條件（風(fēng)、浪、流等）發(fā)生 變化時(shí)，控制參數(shù)需連續(xù)地進(jìn)行人工整定 ，控制參數(shù)不合適的控制器將導(dǎo)致差的控制效果 ，如 操舵幅度大、操舵頻繁等，而人工整定參數(shù)很麻煩，為此,人們提出了自適應(yīng)控制方法。 2. 自適應(yīng)控制 任何自適應(yīng)系統(tǒng)都應(yīng)能連續(xù)地自動(dòng)辨識（整定）PID算法的控制參數(shù)，以適應(yīng)船舶和環(huán)境 條件的動(dòng)態(tài)特性。目前提出的方法主要有自適應(yīng)

9、PID設(shè)計(jì)法、隨機(jī)自適應(yīng)法、模型參考法、 基于條件代價(jià)函數(shù)的自校正法、最小方差自校正法、線性二次高斯法、Ha控制法、變結(jié)構(gòu) 法等，這些自適應(yīng)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn) ，并且自適應(yīng)法還處于不斷的發(fā)展過程中。 總之，自適應(yīng)控制技術(shù)不僅與代價(jià)函數(shù)的估計(jì)值有關(guān) ，而且也與精確地建立擾動(dòng)模型有 關(guān)， 在船舶所遇到的復(fù)雜的工作臺條件下 ， 自適應(yīng)自動(dòng)舵并不能提供完全自動(dòng)的最優(yōu)操作。 3. 智能控制 對有限維、 線性和時(shí)不變的控制過程 ， 傳統(tǒng)控制法是非常有效的 ， 如果這樣的系統(tǒng)是充分 已知的 ，那么，它們能用線性分析法表示、建模和處理 ，但實(shí)際船舶系統(tǒng)常具有不確定性、非 線性、非穩(wěn)定性和復(fù)雜性 ， 很難建立

10、精確的模型方程 ， 甚至不能直接進(jìn)行分析和表示 ， 而人工 操作者通過他們對所遇情況的處理經(jīng)驗(yàn)和智能理解與解釋 ， 就能有效地控制船舶航行 . 因此 ， 人們很自然地開始尋找類似于人工操作的智能控制方法。目前已提出 3 種智能控制方法 ， 即專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 專家系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是知識經(jīng)驗(yàn)的獲取與表示。 Brown 等采用了模仿人工操作的專家系 統(tǒng)方法 ，而并沒有直接使用船舶的數(shù)學(xué)模型 ，通過研究人工操作與普通自動(dòng)舵控制之間的差 異， 建立了規(guī)則庫以便修正自動(dòng)舵的特性，也就是自動(dòng)舵與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)之間進(jìn)行交 互作用。例如，舵手把兩次連續(xù)的轉(zhuǎn)彎當(dāng)作一次長的轉(zhuǎn)彎來處理 ，這種措施及其它類似措施都 可在修正后的自動(dòng)舵上實(shí)現(xiàn)。 此文還論述了這種模擬人工操作的自動(dòng)舵構(gòu)造方法 ，當(dāng)然，這里 的舵手是選擇對不同船舶、 工作條件、 環(huán)境及可能發(fā)生的情況很有處理經(jīng)驗(yàn)的人。 這種的自 動(dòng)舵專家系統(tǒng)與船舶操縱模型無關(guān)。 通過查閱老師推薦的相關(guān)資料 ， 我們了解了關(guān)于船舶的控制相關(guān)的方法的知識， 包括 PID 控制、自適應(yīng)控制、智能控制等。不僅擴(kuò)充了船舶控制系統(tǒng)相關(guān)的知識，更學(xué)會(huì)了和熟 練了查找相關(guān)文獻(xiàn)資料的技能。為我們以后的學(xué)習(xí)和工作打下了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)： 1 周祥龍，趙景波 . 欠驅(qū)動(dòng)非線性控制方法綜述 J ，工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置， 2004 2 LMANOV