曹鏑

摘 要：隨著現(xiàn)代機械工業(yè)的不斷發(fā)展，船舶航向運動系統(tǒng)所具有的不確定性和非線性特征越來越明顯，自動舵執(zhí)行能力產(chǎn)生的約束作用、流、浪以及風(fēng)的影響力也較為明顯，從而導(dǎo)致航向控制器的設(shè)計工作存在一定的難度，文章主要對ADRC船舶主機控制器的設(shè)計原理進行分析和探討，并提出針對性的設(shè)計原則。通過對仿真結(jié)果的分析和探討，不難發(fā)現(xiàn)這種控制器對于船舶的實際航向運動所具有的環(huán)境、參數(shù)不確定性和非線性等控制對象的變化有著顯著的指導(dǎo)，航向切換過程中的平滑、快速以及操舵量相對較少，從而可以快速精確地獲得控制保持。

關(guān)鍵詞：船舶主機控制器；設(shè)計工作；仿真分析

引言

船舶交通在當(dāng)今社會經(jīng)濟發(fā)展過程中承擔(dān)著將近90%的國際貿(mào)易運輸工作需求，海上交通的密集程度也隨著經(jīng)濟發(fā)展不斷進步，從而航行工作需要達到更高的經(jīng)濟性和安全性的要求，做好船舶的航行控制工作則顯得較為重要。船舶在實際航行過程中，還會受到風(fēng)力因素對船舶產(chǎn)生的附加變動風(fēng)力以及均風(fēng)力的影響。在最近幾年的社會發(fā)展中，自動化配合智能化船舶的發(fā)展相對較快，但是，受到船舶運動所表現(xiàn)的復(fù)雜性影響，船舶運動所表現(xiàn)出的智能控制問題無法得到很好的解決，目前很多船舶航向的控制器主要還是使用自適應(yīng)控制以及PID控制方法，其控制效果和應(yīng)用范圍無法滿足船舶智能化提出的要求。自抗擾控制技術(shù)屬于不通過系統(tǒng)模型的一種全新控制技術(shù)，它不僅能夠評估系統(tǒng)運行過程中所受到的各種內(nèi)擾或者外擾作用，還能夠有效地對其進行補償，這種特殊性的非線性反饋結(jié)構(gòu)具有顯著的控制品質(zhì)，具有響應(yīng)快、超調(diào)小、抗干擾能力強、算法簡單等優(yōu)勢，還能夠保證數(shù)字化工作更好地實現(xiàn)。

1 船舶航向所形成的非線性系統(tǒng)模型分析

船舶所形成的航向運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

船舶運動可以通過狀態(tài)空間模型來對其加以表述，還可以利用輸入-輸出模型來分析。從船舶的運動動態(tài)幾個主要脈絡(luò)來獲得微分方程，從而保留原始傳統(tǒng)的非線性各個影響因素，其中較為簡單的一種響應(yīng)模型表現(xiàn)為Nomoto模型，具體如下所示：

因為船舶的航向運動具有非線性特征，其模型參數(shù)也會隨著航速、水深、裝載質(zhì)量的變化而產(chǎn)生攝動，風(fēng)、流以及浪所產(chǎn)生的擾動作用也會讓船舶的航向受到影響，航向控制的主要執(zhí)行器的舵機機構(gòu)屬于動態(tài)的一個系統(tǒng)，具有最大操舵角速率和最大操舵角的限制。

2 自抗擾控制原理以及向航自抗擾控制器設(shè)計措施

對于存在未知擾動的n階SISO非線性不確定控對象方程式表示為：

x（n）=f（x，x，…，x（n-1），t）+w（t）+b（t）u

其中，方程式中的w（t）表示為一種對象外部的擾動，其中的u作為一個控制量，b（t）則表示控制放大的具體系數(shù)，通過跟蹤微分器和擴張狀態(tài)觀測器，配合非線性狀態(tài)誤差的實際反饋控制步驟來構(gòu)造出具體的非線性自抗擾控制器。這種自抗擾控制器是由ESO、TD以及NISEF等部件構(gòu)成，其中的TD主要發(fā)揮著安排和過度的過程，從根本上實現(xiàn)對系統(tǒng)輸入信號進行快速、無超調(diào)地跟蹤，并給出相應(yīng)的微分信號。ESO則是對整個系統(tǒng)的模型、狀態(tài)以及外繞加以評估，屬于自抗擾控制器的主要構(gòu)成要素，ESO則是把各種位置的外擾非線性不確定對象及時反饋給積分器串聯(lián)型，從而設(shè)計出較為理想的狀態(tài)誤差反饋控制器，并對這種誤差反饋通過有效科學(xué)的方式來進行非線性配置，保證這種非線性狀態(tài)誤差的反饋控制律能夠得以實現(xiàn)。要想能夠從根本上實現(xiàn)上述的船舶航向運動系統(tǒng)的設(shè)計，按照常規(guī)的方法來分析，大都會設(shè)計成雙環(huán)航向控制系統(tǒng)，其中的ADCR1（2階）則是船舶系統(tǒng)的控制器，ADRC2（1階）作為舵機機構(gòu)的一個控制器。根據(jù)從內(nèi)環(huán)到外環(huán)的設(shè)計原則和設(shè)計順序來對控制器的參數(shù)加以整定，其中的ADRC2一共有11個參數(shù)，而ADRC1則有15個不同的參數(shù)，整個設(shè)計難度相對較大（圖2）。

從船舶航向控制器的實際設(shè)計角度來分析，整個設(shè)計工作的主要目的就是能夠跟蹤船舶的航向并保持準確，所以，把船舶的運動數(shù)學(xué)模型以及舵機機構(gòu)模型當(dāng)成一個統(tǒng)一的整體，保證控制器的設(shè)計工作以及設(shè)計步驟能夠得以簡化。

3 結(jié)束語

從ADRC船舶主機控制器設(shè)計和仿真結(jié)果來分析，不難發(fā)現(xiàn)立足于ADRC設(shè)計的傳播航向非線性系統(tǒng)控制器能夠?qū)Υ胺蔷€性特征、參數(shù)的固定值攝動、系統(tǒng)綜合擾動以及隨機攝動等各種不確定性特征有著顯著的魯棒性，航向切換控制過程具有平滑、快速、操舵需求能量小、航向精度高、參數(shù)適應(yīng)性相對較廣等特點和優(yōu)勢，屬于相對理想的一種航向控制系統(tǒng)。

在設(shè)計船舶航向小角度時，其航向相應(yīng)不存在任何超調(diào)的問題，但是，整個相應(yīng)速度相對較慢，其主要原因是設(shè)計的航向過渡過程的安排工作采取了定值的方法，為了能夠保證航向在不同角度的具體相應(yīng)特性得以協(xié)調(diào)，可以通過不同的方式來對角度加以設(shè)定，選擇合適的h、r數(shù)值。

自抗擾控制技術(shù)（簡稱：ADRC）屬于不通過系統(tǒng)模型得以實現(xiàn)的新型控制技術(shù)，能夠?qū)ο到y(tǒng)運行過程中受到的不同內(nèi)擾和外擾作用加以補償和評估，并且結(jié)合這種特殊的非線性反饋結(jié)構(gòu)來達到顯著的控制要求，具有響應(yīng)快、超調(diào)小、算法簡單、抗干擾能力強、精度高等特征，從而保證數(shù)字化過程得以實現(xiàn)。

參考文獻

[1]潘為剛，李貽斌.優(yōu)化自抗擾控制器在船舶主機上的應(yīng)用與仿真研究[J].內(nèi)燃機工程，2012，5：74-78.

[2]郭敏.基于理論的船舶主機冷卻水控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013，3：12-16.