船舶运动控制综述与展望

第30卷第4期

2007年8月鞍山科技大学学报Journal of Anshan University of Science and Technology Vol. 30No. 4Aug. ,2007

船舶运动控制综述与展望

祝超群, 郭　戈, 杨　彬, 胡红霞1213

(1. 兰州理工大学电气工程与信息工程学院, 甘肃兰州　730050;2. 大连海事大学

自动化与电气工程学院, 辽宁大连　116026;3. 盘锦市大洼县职业技术教育中心, 辽宁盘锦　124100)

摘　要:对欠驱动水面船舶的非线性控制做了简要的论述, 首先说明了问题的背景和重要意义, 欠驱动船舶常用的非线性控制方法, 最终提出了该领域的一些开放性的问题。

关键词:非线性控制; 欠驱动水面船舶; 镇定; 跟踪

中图分类号:TP13:U66　文献标识码:A 　文章编号:2() 042205

　　, , , 各种。但是, 由于船舶动力驱动结构具有非完整, 、环境参数的严重干扰和测量的不精确性等又使船舶运、非线性等特点, 采用传统的船舶控制方法已经不能满足控制要求, 必须探索新的船舶控制方法。

欠驱动系统是指由控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的系统, 即控制输入数小于系统自由度的系统。欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式, 约束都是不可积的

[2]微分表达式, 属于非完整系统。非完整系统一个显著特点是, 不能满足著名的Brockett 条件。其控制

设计不能转换成线性控制问题, 不能通过设计可微或连续时不变状态反馈控制律来使其镇定。欠驱动船舶系统是一类特殊的非线性、非完整系统, 与一般非线性系统的解的形式不同, 对它的分析必须涉及一些比较抽象和繁琐的现代数学工具, 必须采用新的控制策略才能达到控制目的, 这对于一般非线性系统的控制研究具有一定的指导作用。

研究欠驱动船舶的控制器设计也具有非常重要的现实意义。一个欠驱动船舶以较少数目的驱动器来完成航行任务, 降低了系统的费用及重量, 提高了营运效益, 同时也会因控制设备的减少而降低船舶机械故障的发生率, 使系统运行更加稳定而易于维护。更为重要的是, 欠驱动控制同时对船舶完全驱动系统提供了一种备份控制技术。如果全驱动系统遇故障不能正常运行时, 可采用欠驱动船舶控制策略, 利用仍在工作的控制器对船舶进行有效控制, 增大设备出现故障时系统的可靠性。

[3]正是由于上述原因, 对欠驱动船舶的控制研究得到了广泛重视并成为控制领域的研究热点之一。

作为一种特殊的非线性控制方法, 欠驱动船舶控制技术的发展目前还存在着很多问题, 有待于更多的科技工作者致力于深入的研究。为了促进欠驱动船舶控制技术的发展, 本文在查阅有关资料的基础上, 对欠驱动船舶数学模型、控制方法及其发展做了较为详细的综述, 并对该领域存在的问题以及可能的发展方向进行了探讨。

收稿日期:2007203220。

基金项目:兰州理工大学特色学术梯队基金资助项目(0915) 。

作者简介:祝超群(1977-) , 男, 新疆塔城人。[1]

・356・　　　　　　鞍山科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　第30卷1　欠驱动船舶数学模型

　　图1所示为欠驱动水面船舶模型, 如果把船舶作为一个刚体来研究, 则船舶的运动有六个自由度, 称之为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡。考虑常规船舶水平面运动的控制, 所关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, 垂荡、纵摇和横摇对其水平面运动影响甚微, 可

以忽略。因此水面船舶的六自由度运动就可以简化

为沿x 方向前进、y 方向横移及绕z 轴旋转(艏摇) 的三自由度运动。由于船舶的推进装置仅装备有螺旋

桨推进器和船舵, 也就是说系统只有2个控制输入

(前向推力和旋转力矩) , 但需要同时控制船舶在水

平面运动的3个自由度, 因此对常规船舶平面运动

[4]的控制研究可归结为欠驱动控制问题。1　　　不考虑由于风速、气流、1　surface vessels 影响, m 11, m 22, m 33}和阻力矩阵D =diag{d 11, d 22d , v r -u +u 1m 11m 11m 11

m 11d 22ur -v m 22m 22=(1) (2)

(3) v =- r =uv -r +u 2m 33m 33m 33

(4) x =u cos ψ-v sin ψ

(5) y =u sin ψ+v cos ψ

ψ(6) =r

式中:u , v , r 分别表示船舶的纵向速度、横向速度及艏摇角速度; x , y , ψ分别表示船舶在三维坐标中的位置和方向; 参数m ii >0(i =1,2,3) 为船舶质量在水动力附加质量影响下相对于x , y , z 轴的分量; 参数d ii >0(i =1,2,3) 为阻力矩阵在动坐标系三个坐标轴上的分量; u 1, u 2分别表示船舶所受外部推进力及旋转力矩。

2　国内外研究现状

　　有关欠驱动方面的文献最早见于1992-1995年针对机械手和航空器的控制器设计, 将欠驱动控制方法引入船舶控制始于上世纪九十年代。目前, 对于欠驱动水面船舶控制的研究主要集中在以下两方面:(1) 如何设计一个镇定控制器使得闭环系统状态渐进收敛于原点; (2) 如何设计一个全局跟踪控制器以实现欠驱动水面船舶对任意航迹进行跟踪。

211　水面船舶的镇定控制

欠驱动系统是本质非线性系统, 且不能通过光滑状态反馈或输出反馈将其转化为线性系统, 因此线性系统的控制方法对它是无效的, 必须寻找新的方法和工具来解决这类问题。目前解决欠驱动船舶镇定控制问题主要有两种途径, 一是采用时不变反馈控制使系统收敛至平衡点, 常用σ变换方法; 二是采用周期时变反馈控制律使系统渐近镇定, 多用平均法、后推法。

σ变换方法是解决欠驱动系统反馈镇定问题的一种重要方法。σ变换方法的本质是一种坐标变参考变换, 即将(x , y ) 坐标当x ≠0时变为坐标(x , u =y Πx ) 。其实质是一种奇点的分解方法, 使得奇点

第4期　　　　　　　　　　祝超群, 等:船舶运动控制综述与展望・357・附近很小的位移对应坐标很大的变化。通过σ变换方法, 可将原非线性系统变换为等价的线性定常系统, 只需针对该线性定常系统设计时不变反馈镇定律, 然后再通过σ反变换, 即可获得原系统的时不变反馈镇定律。在文献[5]中M. Reyhanoglu 基于σ变换方法建立离散反馈控制, 在假定初始状态的条件下, 使闭环系统状态指数收敛于平衡点。文献[6]利用无源性和李亚普诺夫稳定性理论获得了一种离散全局镇定控制规律。

时变反馈控制通常采用后推法。这种方法通过逐步修正算法设计镇定控制器, 实现系统的全局调节或跟踪。在每一步把状态坐标的变化, 不确定参数的自适应调节参数和一个已知的李亚普诺夫函数的虚拟控制系统的镇定函数等联系起来。它适用于可状态线性化或严参数反馈的不确定系统, 可以很

[7,8]方便地用符号代数软件来实现。C. Samson 第一次表明连续时变反馈能使欠驱动系统渐进稳定。

文献[9]提出了一种连续反馈控制规律取代了多平衡点的渐进稳定, 位置变量通过这种方法指数收敛于它们的期望值, 过程角收敛于常数, 但没有到零点。在此基础上, 文献[10]给出了一种时变反馈控制规律使系统以指数规律收敛于平衡点, 小不确定。在文献[11]中K. Y. Pettersen 镇定到原点。文献[12][]稳定于原点。, 14]。后推法的优点是控制律光滑, 可保证系统渐近镇定, 。

212　传统的船舶航迹控制并不直接控制船舶的位置, 仅靠操舵来控制船舶的航向从而间接控制船舶的航迹, 但在特定的作业情况如布雷、铺设管线及管线维护等, 船舶需要精确按照预定的航线航行, 给传统的航迹控制带来一定的挑战; 现代航迹控制以船舶的位置坐标取代航向控制船舶按照预定的轨迹航行。

如前所述船舶是一个欠驱动系统, 具有不可积的动力学特性且不能转换为无漂系统, 而且在船舶的侧向没有推力。如何使船舶沿正确的路径以合适的速度跟踪其他船只的运行轨迹是船舶的轨迹跟踪控制的难点。通常船舶的航迹控制器设计是基于线性模型, 在文献[15,16]中给出了几种全驱动船舶的路径跟踪线性控制器, 但由于对船舶模型的线性化使得系统不稳定。文献[17]中关于船舶航迹控制律设计采用的是非线性方程, 但是所设计的航迹控制律只能控制船舶在静坐标系下的位置, 而航向角不受控, 最终导致如果要达到期望的设定点, 船舶将旋转多圈, 极端情况下船舶的航行姿态是以尾部指向期望的航向来实现航迹跟踪。文献[18,19]针对欠驱动船舶的航迹跟踪问题进行了研究并设计了一些控制律, 可实现船舶航迹误差和航向误差半全局指数镇定。然而, 这些方法都有一个共同局限, 即要求持续角速度激励, 也就是说, 直线航迹不能进行跟踪。直到2002年Do 和Jiang 等在文献[20]中基于李亚普诺夫直接法和反步技术提出了一种全局渐近跟踪控制器; 随即又在文献[21]中设计了一个具有全局鲁棒性的全状态反馈和输出反馈控制器, 克服了艏摇角速度不能为零的局限, 解决了直线、曲线航迹跟踪和转向点跟踪问题, 为船舶航迹控制理论打开了新局面。文献[22]中给出了一种单一控制器来同时解决欠驱动船舶的稳定性和轨迹跟踪问题。

3　展　望

　　上述的船舶的控制问题, 船的质量和阻尼矩阵都假定为三角阵, 船舶模型参数和环境干扰的不确定性也被忽略, 都是在理想的条件下对船舶进行镇定Π跟踪控制。

欠驱动船舶的运动控制从本质上来说属于非线性欠驱动控制范畴, 虽然欠驱动船舶的控制研究已取得很大进展, 但由于欠驱动船舶的集中研究只有10年左右时间, 仍有许多具有挑战性的问题亟待解决, 未来的研究工作可从以下方面展开:(1) 目前大部分文献都是对欠驱动系统的个例展开研究, 还没

・358・　　　　　　鞍山科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　第30卷有开发出适用于欠驱动船舶的通用方法。因此, 有待于继续寻找和摸索适合欠驱动船舶自身特点的控制方法。(2) 在船舶数学模型和外界扰动存在不确定性的条件下很难判断系统的稳定性和动态性能, 因此可以考虑应用鲁棒控制和自适应控制方法, 目前国内关于这一领域还涉猎不多, 是一个值得关注的研究方向。(3) 船舶在营运过程中, 由于装载状态、船速、外界干扰等时常发生变化, 使得船舶的运动呈现出大惯性、迟滞时间长、非线性等特点, 可以考虑应用智能控制方法, 由于智能控制系统的本质是非线性的, 同时具有对复杂系统逐步学习认知的能力, 并具有很强的鲁棒性。因此对于传统理论难以解决的具有非线性、复杂结构和不确定性的欠驱动船舶系统非常适用。(4) 目前大多数欠驱动船舶控制侧重于理论研究, 仅仅由仿真检验其正确性, 没有真正用于控制实践。如何设计一个控制律简单、控制中计算量少而同时又在工程上易于实现的欠驱动船舶镇定Π跟踪控制器是另一个值得关注的研究方向。参考文献:

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Overvie w and prospect of movement control on surface vessels

ZHU Chao 2qun , GUO Ge , YA N G Bi n , HU Hong 2xia 1213

(1. College of Electrical and Information Engineering ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou 730050,China ; 2. School of Automation and Electrical Information Engineering ,Dalian Maritime University ,Dalian 116026;

3. Dawa County Center on Vocational and Technical Education , Panjin 124100,China )

Abstract :The nonlinear control of underactuated surface is background and significance of the problem are illustrated ;then the of of underactuat 2ed surface vessels is introduced ;finally field are put forward. K ey w ords :nonlinear;tracking

(R eceived March 20,2007)

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PID parameter optimization based on adaptive genetic algorithm

W A N G Hai 2hua , ZO U L i ng , S ON G L ei

2. Jiangsu Industry Institute ,Changzhou 213164,China ) 121(1. School of Electronic and Information Engineering ,University of Science and Technology Liaoning ,Anshan 114051,China ;

Abstract :Aimedat PID parameter adjustment of second 2order system models with long time 2delay ,which is common in industry process ,adaptive generic algorithm (A G A ) was adopted to optimize parameter on PID control ,whose result was compared with the method of common PID parameter optimization. Simulation ex 2periment result shows that A G A adopts the method of automatic change of mutation probability ,which im 2proves the self 2adaptation ,in the optimizing problem of PID parameter.

K ey w ords :PID parameter adjustment ;adaptive genetic algorithm ;mutation probability

(R eceived March 20,2007)