船舶自動(dòng)舵控制技術(shù)

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1、第23卷第4期南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.23No.42001年7月JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYJuly2001船舶自動(dòng)舵控制技術(shù)的發(fā)展12陳雪麗,程啟明(1.南京師范大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江蘇南京210042;2.鹽城工學(xué)院計(jì)算機(jī)系,江蘇鹽城224003)摘要:介紹與比較了船舶操縱的各種自動(dòng)舵控制方法,船舶自動(dòng)舵可分為4個(gè)發(fā)展階段,即機(jī)械舵、PID舵、自適應(yīng)舵和智能舵,其中智能舵為目前最先進(jìn)的自動(dòng)舵,它又分為專家系統(tǒng)、模糊舵和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)舵。關(guān)鍵詞:船舶操縱;自動(dòng)舵;PID控制;自適應(yīng)控制;智能

2、控制中圖分類號(hào):TP273;U66文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-7537(2001)04-0101-05[1～2]船舶操縱的自動(dòng)舵是船舶系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的重要設(shè)備。20世紀(jì)20年代,美國(guó)的Sper21船舶自動(dòng)舵的控制方法ry和德國(guó)的Ansuchz在陀螺羅徑研制工作取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展后分別獨(dú)立研制出機(jī)械式自動(dòng)舵,它的出1.1PID控制現(xiàn)是一個(gè)里程碑,它使人們看到了在船舶操縱方面直到70年代早期,自動(dòng)舵還是一個(gè)簡(jiǎn)單的控?cái)[脫體力勞動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的希望,這種自動(dòng)舵稱制設(shè)備,航向偏差提供操舵設(shè)備的修正信號(hào),此時(shí)為第一代?？刂品匠虨?20世紀(jì)50年代,隨著電子學(xué)和

3、伺服機(jī)構(gòu)理論δ=Kφe(1)的發(fā)展及應(yīng)用,集控制技術(shù)和電子器件的發(fā)展成果式中δ、φe分別為舵角信號(hào)和航向偏差信號(hào);K為于一體的更加復(fù)雜的第二代自動(dòng)舵問(wèn)世了,這就是比例常數(shù),它應(yīng)被整定以適應(yīng)載重和環(huán)境要求,為著名的PID舵。避免振蕩,K應(yīng)取較低值。到了60年代末,由于自適應(yīng)理論和計(jì)算機(jī)技對(duì)于穩(wěn)定低速航行的船舶,(1)式控制效果基術(shù)得到了發(fā)展,人們注意到將自適應(yīng)理論引入船舶本上是令人滿意的,但對(duì)不穩(wěn)定的船舶,(1)式是不操縱成為可能,瑞典等北歐國(guó)家的一大批科技人員合適的。一個(gè)更為先進(jìn)的控制系統(tǒng)應(yīng)包含航向誤紛紛將自適應(yīng)舵從實(shí)驗(yàn)室裝到實(shí)船上,繼而正式形差導(dǎo)數(shù)項(xiàng),

4、它的形式為:成了第三代自動(dòng)舵。δ=K1φe+K2φ?e(2)從80年代開始,人們就開始尋找類似于人工當(dāng)存在由橫向風(fēng)引起的下風(fēng)或上風(fēng)力矩干擾操舵的方法,這種自動(dòng)舵就是第四代的智能舵。智時(shí),為使航向保持不變,應(yīng)加入航向偏差的積分項(xiàng),能舵的控制方法有3種,即專家系統(tǒng)、模糊控制和此時(shí)方程式變?yōu)?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。δ=K1φe+K2φ?e+K3∫φedt(3)隨著全球定位系統(tǒng)等先進(jìn)導(dǎo)航設(shè)備在船舶上這種形式結(jié)構(gòu)就是經(jīng)典的PID控制器結(jié)構(gòu)。裝備,人們開始設(shè)計(jì)精確的航跡控制自動(dòng)舵,這種根據(jù)Mort的理論,積分項(xiàng)的加入可能會(huì)降低自動(dòng)舵能把船舶控制在給定的計(jì)劃航線上。舵的響應(yīng)速

5、度,這會(huì)使船舶反應(yīng)遲鈍,為抵消這種影響,可再加入一個(gè)加速項(xiàng),這樣控制方程又成為:收稿日期:2001-02-15基金項(xiàng)目:江蘇省跨世紀(jì)學(xué)科帶頭人科研基金(蘇科教技[1998]50號(hào));江蘇省計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助(蘇大科[2000]07號(hào))作者簡(jiǎn)介:陳雪麗(1960-),女,江蘇徐州人,副教授,主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。102南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)第23卷[10]δ=K1φe+K2φ?e+K3∫φedt+K4φ¨e(4)法,此法是在Ohtsu等提出的方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它的模型取決于最小Akaike信息標(biāo)準(zhǔn),它整定好控制參數(shù)K1～K4的(3

6、)或(4)式能得到較的代價(jià)函數(shù)依賴于被控變量的偏差、控制信號(hào)大小好的操縱性能。(舵角)和控制信號(hào)變化率的補(bǔ)償值。對(duì)海浪高頻干擾,PID控制過(guò)于敏感,為避免[11]Amerogen的模型參考自適應(yīng)法的應(yīng)用前提高頻干擾引起的頻繁操舵,常采用“死區(qū)”非線性天為過(guò)程是線性、階次和結(jié)構(gòu)已知,且無(wú)隨機(jī)擾動(dòng)。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,Dennis通過(guò)假定船舶是線性、常系數(shù)、無(wú)限工作系產(chǎn)生持續(xù)的周期性偏航,這將引起航行精度降低,統(tǒng),提出了船舶線性疊加原理,此原理把船舶對(duì)不能量消耗加大。規(guī)則海況的響應(yīng)用對(duì)構(gòu)成這種海況的規(guī)則分量響此外,當(dāng)船舶的動(dòng)態(tài)特性(速

7、度、載重、水深、外應(yīng)的線性累加來(lái)表示。由于船舶實(shí)際上是一個(gè)含型等)或外界條件(風(fēng)、浪、流等)發(fā)生變化時(shí),控制有噪聲的非線性系統(tǒng),因此,在平靜的天氣和“完參數(shù)需連續(xù)地進(jìn)行人工整定,不合適的控制參數(shù)的美”的條件下,此法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作很好,但在較差控制器將導(dǎo)致差的控制效果,如操舵幅度大、操舵海況及載重變化的條件下,這種系統(tǒng)的控制效果變頻繁等,而人工整定參數(shù)很麻煩,為此,人們提出了差。自適應(yīng)控制方法。Lim等使用Clarke等提出的基于條件代價(jià)函1.2自適應(yīng)控制數(shù)的自校正方法,此法的控制器輸出被明確地加到[3]目前提出的方法主要有自適應(yīng)PID設(shè)計(jì)法、性能標(biāo)準(zhǔn)公式

8、中。自校正自動(dòng)舵能用每個(gè)取樣時(shí)隨機(jī)自適應(yīng)法、模型參考法、基于條件代價(jià)函數(shù)的刻的R