船舶運動控制概述

1、船舶運動控制概述隨著經(jīng)濟全球化的加劇,現(xiàn)代物流業(yè)飛速發(fā)展,市場對進出口的需求越發(fā)的加大,造成了與之相應(yīng)的航運自動化的繁榮發(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的經(jīng)濟效益。作為大連海事大學(xué)自動化專業(yè)的學(xué)生,我們有必要了解船舶相關(guān)的知識,包括船舶運動控制,船舶控制系統(tǒng),船舶導(dǎo)航等的相關(guān)知識。并將儲備的知識運用到以后的學(xué)習(xí)與工作中。一、欠驅(qū)動船舶的控制器設(shè)計首先我們先來聊聊船舶的驅(qū)動。由于船舶動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)具有非完整約束和典型的欠驅(qū)動特性,而且航行條件的變化、環(huán)境參數(shù)的嚴重干擾和測量的不精確性等又使船舶運動呈現(xiàn)出大慣性、長時滯、非線性等特點,采用傳統(tǒng)的船舶控制方法已經(jīng)不能滿足控制要求,必

2、須探索新的船舶控制方法。欠驅(qū)動系統(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)動船舶模型一般都具有非線性運動方程的形式,欠驅(qū)動船舶模型一般都具有非線性運動方程的形式,欠驅(qū)動船舶模型一般都具有非線性運動方程的形式,約束都是不可積的微分表達式,屬于非完整系統(tǒng)。研究欠驅(qū)動船舶的控制器設(shè)計也具有非常重要的現(xiàn)實意義。一個欠驅(qū)動船舶以較少數(shù)目的驅(qū)動器來完成航行任務(wù),降低了系統(tǒng)的費用及重量,提高了營運效益,同時也會因控制設(shè)備的減少而降低船舶機械故障的發(fā)生率,使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定而易于維護。更為重要的是,欠驅(qū)動控制同時對船舶完全驅(qū)動系統(tǒng)提供了一種備份控

3、制技術(shù)。如果全驅(qū)動系統(tǒng)遇故障不能正常運行時,可采用欠驅(qū)動船舶控制策略,利用仍在工作的控制器對船舶進行有效控制,增大設(shè)備出現(xiàn)故障時系統(tǒng)的可靠性。正是由于上述原因,對欠驅(qū)動船舶的控制研究得到了廣泛重視并成為控制領(lǐng)域的研究熱點之一2。作為一種特殊的非線性控制方法,欠驅(qū)動船舶控制技術(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。為了促進欠驅(qū)動船舶控制技術(shù)的發(fā)展,本文在查閱有關(guān)資料的基礎(chǔ)上,對欠驅(qū)動船舶數(shù)學(xué)模型、控制方法及其發(fā)展做了較為詳細的綜述,并對該領(lǐng)域存在的問題以及可能的發(fā)展方向進行了探討。如果把船舶作為一個剛體來研究,則船舶的運動有六個自由度,稱之為橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、

4、縱蕩和垂蕩?？紤]常規(guī)船舶水平面運動的控制,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動影響甚微,可以忽略。因此水面船舶的六自由度運動就可以簡化為沿x方向前進、y方向橫移及繞z軸旋轉(zhuǎn)(艏搖的三自由度運動。由于船舶的推進裝置僅裝備有螺旋槳推進器和船舵,也就是說系統(tǒng)只有2個控制輸入(前向推力和旋轉(zhuǎn)力矩,但需要同時控制船舶在水平面運動的3個自由度,因此對常規(guī)船舶平面運動的控制研究可歸結(jié)為欠驅(qū)動控制問題。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行鎮(zhèn)定跟蹤控制。二

5、、船舶操縱的控制技術(shù)發(fā)展船舶操縱的自動舵是船舶系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備,隨著對航行安全及營運需求的增長,人們對自動舵的要求也日益提高。本世紀20年代,美國的Sperry和德國的Ansuchz在陀螺羅徑研制工作取得實質(zhì)進展后分別獨立地研制出機械式的自動舵,它的出現(xiàn)是一個里程碑,使人們看到了在船舶操縱方面擺脫體力勞動實現(xiàn)自動控制的希望,這是第1代自動舵。機械式自動舵只能進行簡單的比例控制,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50年代,隨著電子學(xué)和伺服機構(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代自動舵問世了,這就是著名的PID舵。自然

6、PID舵比第1代自動舵有長足進步,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)理論和計算機技術(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)舵從實驗室裝到實船上,正式形成了第3代自動舵。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,但物理實現(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,熟練的舵手運用他們的操舵經(jīng)驗和智慧,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

7、方法,這種自動舵就是第4代的智能舵。此外,80年代前船舶上安裝的自動舵一般只能進行航向控制,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等先進導(dǎo)航設(shè)備在船舶上裝備,人們開始設(shè)計精確的航跡控制自動舵,這種自動舵能把船舶控制在給定的計劃航線上。1.PID控制直到70年代早期,自動舵還是一個簡單的控制設(shè)備,航向偏差給操舵設(shè)備提供修正信號,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,當船舶的動態(tài)特性(速度、載重、水深、外型等或外界條

8、件(風(fēng)、浪、流等發(fā)生變化時,控制參數(shù)需連續(xù)地進行人工整定,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)境條件的動態(tài)特性。目前提出的方法主要有自適應(yīng)PID設(shè)計法、隨機自適應(yīng)法、模型參考法、基于條件代價函數(shù)的自校正法、最小方差自校正法、線性二次高斯法、H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,并且自適應(yīng)法還處于不斷的發(fā)展過程中?？傊?自適應(yīng)控制技術(shù)不僅與代價函數(shù)的估計值有關(guān),而且也與精確地建立擾動模型有關(guān),在船舶所遇到的

9、復(fù)雜的工作臺條件下,自適應(yīng)自動舵并不能提供完全自動的最優(yōu)操作。3.智能控制對有限維、線性和時不變的控制過程,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,很難建立精確的模型方程,甚至不能直接進行分析和表示,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

10、,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舵控制之間的差異,建立了規(guī)則庫以便修正自動舵的特性,也就是自動舵與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)之間進行交互作用。例如,舵手把兩次連續(xù)的轉(zhuǎn)彎當作一次長的轉(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舵上實現(xiàn)。此文還論述了這種模擬人工操作的自動舵構(gòu)造方法,當然,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)驗的人。這種的自動舵專家系統(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。不僅擴充了船舶控制系統(tǒng)相關(guān)的知識,更學(xué)會了和熟練了查找相關(guān)文獻資料的技能。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:1周祥龍,趙景波. 欠驅(qū)動非線性控制方法綜述J,工業(yè)儀表與自動化裝置,20042LMANOVSK