耙吸挖泥船DP/DT控制算法研究

尹志華 俞孟 蕻袁偉

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

耙吸挖泥船DP/DT控制算法研究

尹志華 俞孟 蕻袁偉

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

動(dòng)力定位/動(dòng)態(tài)跟蹤；耙吸挖泥船；模糊PID

以耙吸挖泥船為應(yīng)用背景，介紹了動(dòng)力定位/動(dòng)態(tài)跟蹤的發(fā)展和現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出基于模糊的PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)位置保持和按預(yù)定航跡疏浚。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)制定了符合耙吸挖泥船應(yīng)用的模糊規(guī)則，同時(shí)通過(guò)Matlab及Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制算法在環(huán)境力的影響下，DP/DT效果良好，滿足工程實(shí)際需要。

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、傳感器及推進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，耙吸挖泥船的疏浚作業(yè)向自動(dòng)化方向發(fā)展，動(dòng)力定位/動(dòng)態(tài)跟蹤（DP/DT）作為一種高新技術(shù)在應(yīng)用中越來(lái)越受到人們的重視。耙吸挖泥船的DP/DT是指不借助于錨泊系統(tǒng)的作用，而利用自身裝備的各類(lèi)傳感器測(cè)出其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及風(fēng)浪流等環(huán)境力，通過(guò)計(jì)算機(jī)復(fù)雜的實(shí)時(shí)計(jì)算來(lái)控制耙吸挖泥船的艏艉側(cè)推，主推及舵產(chǎn)生適當(dāng)?shù)耐屏娃D(zhuǎn)矩，以抵消環(huán)境力對(duì)挖泥船的影響，使挖泥船盡可能保持在設(shè)定的船位和艏向或按預(yù)定航跡進(jìn)行疏浚施工［1］。DP/DT具有不受水深限制，可實(shí)現(xiàn)精確機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在耙吸挖泥船上可加快疏浚速度，提高疏浚效率和精度，提升疏浚的檔次，取得良好的疏浚效益。

控制算法是DP/DT系統(tǒng)研究的核心。動(dòng)力定位控制技術(shù)目前基本上已發(fā)展到了第三代，第一、二、三代動(dòng)力定位產(chǎn)品集中反映了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論及智能控制理論在船舶DP/DT控制中的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，動(dòng)力定位尚處于發(fā)展初期，在疏浚業(yè)領(lǐng)域尚屬空白，特別在大型耙吸挖泥船方面，技術(shù)和市場(chǎng)還完全被國(guó)外的IHC和Kongsberg所壟斷。

國(guó)內(nèi)的動(dòng)力定位設(shè)備完全依賴(lài)進(jìn)口，這制約著未來(lái)我國(guó)船舶業(yè)的發(fā)展。作為一門(mén)高新技術(shù)，在疏浚業(yè)市場(chǎng)繁華的今天，動(dòng)力定位擁有廣闊的發(fā)展前景和市場(chǎng)潛力。

1 基于模糊的PID控制算法

耙吸挖泥船的疏浚是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在疏浚作業(yè)時(shí)，除了受到本身推進(jìn)器的推力，還受到風(fēng)力、波浪、海流、噴頭后座力及耙管作用力等作用力的綜合影響，產(chǎn)生縱蕩、橫蕩、升沉、縱搖、橫搖與艏搖6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。一般只考慮艏搖、橫蕩、縱蕩三個(gè)方向。在實(shí)際的工程化應(yīng)用中，很難建立起耙吸挖泥船精確的數(shù)學(xué)模型。為了適應(yīng)工程化應(yīng)用的需要，本文選用基于模糊的PID作為挖泥船DP/DT的控制算法。

模糊PID控制器是將模糊控制和PID控制相結(jié)合的技術(shù)，它依賴(lài)于被控系統(tǒng)的物理特性，將人工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)用模糊語(yǔ)言的形式加以總結(jié)和描述。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)理論和方法，把規(guī)則的條件，操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識(shí)存在計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。它既有模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)、靈活的優(yōu)點(diǎn)，又有PID控制器精度高的特點(diǎn)［2］。

圖1 耙吸挖泥船DP/DT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

耙吸挖泥船DP/DT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。DP/DT控制系統(tǒng)包含三條前饋反饋回路，每條回路包含一個(gè)形式上相似的模糊PID控制方程［3］。由于疏浚時(shí)船速一般低于4 kn，因此不考慮挖泥船在艏搖、橫蕩、縱蕩三個(gè)方向的耦合。在DP/DT控制算法中，模糊PID控制器分別以三個(gè)方向的偏差e及偏差變化率△e作為輸入。疏浚時(shí)，挖泥船的測(cè)量系統(tǒng)不斷地檢測(cè)e和△e，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集與挖泥船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估算，并發(fā)出相應(yīng)的力和轉(zhuǎn)矩指令FX，F(xiàn)Y，MZ。算法的核心是通過(guò)總結(jié)工程技術(shù)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊控制表來(lái)對(duì)PID中的參數(shù)進(jìn)行在線修正，以滿足不同e和△e對(duì)控制參數(shù)的不同需求，使挖泥船具有良好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能［2］。

在疏浚過(guò)程中，風(fēng)、浪、流是影響耙吸挖泥船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的環(huán)境因素。風(fēng)作為挖泥船的主要干擾因素，它的速度和方向可以由風(fēng)傳感器測(cè)得。為了快速抵消風(fēng)力的干擾，在DP/DT控制器設(shè)計(jì)時(shí)，采用前饋控制對(duì)風(fēng)進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償，使風(fēng)的變化在挖泥船未移動(dòng)時(shí)就對(duì)風(fēng)產(chǎn)生反力補(bǔ)償，從而減小風(fēng)力的影響。這樣設(shè)計(jì)可以顯著改善系統(tǒng)的性能，有助于DP/DT控制精度的提高［3］。海流由于速度難以測(cè)量，需通過(guò)kalman濾波器進(jìn)行預(yù)估，作為干擾處理。

波浪分為一級(jí)和二級(jí)波浪，其中一級(jí)波浪表現(xiàn)為高頻運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)kalman濾波器加以濾除；二級(jí)波浪表現(xiàn)為二階的波浪漂流力，它會(huì)使挖泥船緩慢飄離原來(lái)的位置，在控制算法中對(duì)其進(jìn)行反饋控制，從而達(dá)到定點(diǎn)或跟蹤控制［4］。在DP艏噴過(guò)程中，由于噴頭對(duì)縱蕩方向產(chǎn)生的后座力很大，因此要對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償；在DT低速疏浚時(shí)，兩條耙吸管對(duì)耙吸挖泥船自身也會(huì)產(chǎn)生很大的作用力，在控制器設(shè)計(jì)時(shí)也要進(jìn)行耙管力的補(bǔ)償。

1.1 偏差的計(jì)算及區(qū)域劃定

DP/DT系統(tǒng)通過(guò)有關(guān)測(cè)量系統(tǒng)獲得挖泥船的精確位置和艏向信息［5］，使挖泥船定位在設(shè)定點(diǎn)或者按照預(yù)定航跡進(jìn)行低速疏浚作業(yè)。

式中：x、y、Ψ為經(jīng)過(guò)濾波后所得到的以大地為參考系的位置艏向信息；xd、yd、Ψd為以大地為參考系的DP/DT參考位置及艏向參數(shù)；xe、ye、Ψe為以挖泥船為參考系，在三個(gè)方向上位置和艏向偏差［6］。

現(xiàn)根據(jù)經(jīng)過(guò)kalman濾波器濾波后得到的挖泥船實(shí)際位置與設(shè)定位置/預(yù)定航跡參考點(diǎn)之間的偏差，以參考點(diǎn)為中心，把周?chē)膮^(qū)域分為綠色、黃色、紅色和物理四個(gè)區(qū)域。其中綠色區(qū)域表示挖泥船在此區(qū)域中可實(shí)現(xiàn)精確定位的DP/DT，效果明顯；黃色區(qū)域表示警告，表示此時(shí)挖泥船已超出綠色區(qū)域，DP/DT精度有所下降；紅色區(qū)域表示禁止的區(qū)域，此時(shí)DP/DT效果很差，需要盡快使挖泥船向黃色區(qū)域靠近；物理區(qū)域表示此時(shí)已不適合DP/DT的區(qū)域，示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 偏差區(qū)域圖

1.2 系統(tǒng)的輸入輸出變量

DP/DT系統(tǒng)控制器的輸入量是參考位置的船位和艏向（xd，yd，Ψd）信息?，F(xiàn)以縱蕩為例（橫蕩，艏向相似），選取挖泥船縱蕩方向的位置偏差xe及其偏差變化率xce作為模糊控制器的輸入量，PID參數(shù)的修正量ΔkP，ΔkI，ΔkD作為輸出量?？刂破鞲髯兞康恼Z(yǔ)言值分負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大七檔，隸屬函數(shù)均為三角函數(shù)。挖泥船縱蕩的語(yǔ)言變量、基本論域、模糊子集、模糊論域、量化因子見(jiàn)表1。

表1

1.3 模糊PID的控制規(guī)則

結(jié)合耙吸挖泥船運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，根據(jù)工程操作人員的經(jīng)驗(yàn)得到如下模糊控制規(guī)則：

（1）當(dāng)偏差在紅色區(qū)域時(shí)，選擇較大的KP，較小的KD，同時(shí)使KI=0，從而使挖泥船快速地向設(shè)定點(diǎn)靠近；

（2）當(dāng)偏差在黃色區(qū)域時(shí)，選擇較小的KP，適當(dāng)?shù)腒D和KI，使挖泥船向綠色區(qū)域靠近；

（3）當(dāng)偏差在綠色區(qū)域時(shí)，通過(guò)選擇較大的KP和KI，以便系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)DP/DT的精確控制，同時(shí)當(dāng)偏差的變化率較小時(shí)，選擇大些的KP；偏差的變化率較小時(shí)，選擇小些的KD。

模糊規(guī)則表見(jiàn)表2。

表2 模糊規(guī)則表

1.4 增量式PID控制算法

耙吸挖泥船DP/DT控制器的PID部分，選取增量式PID控制器，因?yàn)槠湎啾扔趥鹘y(tǒng)的PID控制算法有以下優(yōu)點(diǎn)：前者提供給推力器的增量△uk，只需要保持現(xiàn)在以前3個(gè)時(shí)刻的偏差值；控制算法不需做累加，計(jì)算誤差和計(jì)算精度問(wèn)題對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。由于增量式算法與原始值無(wú)關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換［7］。

設(shè)第k-1及k時(shí)刻的控制量：

（5）-（4）后得到控制增量：

三個(gè)方向所需控制力及轉(zhuǎn)矩：

FEX為DP/DT時(shí)濾波器估算的縱蕩補(bǔ)償力。

2 模糊PID的Simulink仿真

本文以某大型耙吸挖泥船為仿真對(duì)象，在Matlab中，利用fuzzy工具箱對(duì)其進(jìn)行DP/DT系統(tǒng)控制算法的Simulink仿真（見(jiàn)圖3，圖4）。模擬海況1∶5 kn風(fēng)速，135°風(fēng)向角；1.5 m/s海流速度，0°流向角；1.0 m有義波高；海況2∶10 kn風(fēng)速，135°風(fēng)向角；3m/s海流流速，0°流向角；2.0m有義波高。

在不同海況條件下，挖泥船在縱蕩，橫蕩，艏搖三個(gè)方向分別用常規(guī)PID控制和模糊PID控制的單位階躍響應(yīng)曲線圖見(jiàn)圖5～圖10。對(duì)比分析可知，在相同海況條件下，基于模糊的PID控制較于常規(guī)PID控制有更好的控制效果，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快、調(diào)節(jié)時(shí)間更短，且具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在縱向、橫向和艏向控制方面具有一定的相似性。當(dāng)海況條件變成海況2時(shí)，相比于海況1，響應(yīng)曲線的超調(diào)變大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，但很快也趨于穩(wěn)定。從中可以看出該控制算法具有一定的抗干擾能力，可以滿足工程應(yīng)用的實(shí)際需要。

圖3 模糊模塊中的Δk PΔk IΔk D三維圖

圖4 Simulink下的模糊PID框圖

圖5 海況1下縱蕩的階躍響應(yīng)曲線

圖6 海況2下縱蕩的階躍響應(yīng)曲線

圖7 海況1下橫蕩的階躍響應(yīng)曲線

圖8 海況2下橫蕩的階躍響應(yīng)曲線

圖9 海況1下船艏向的階躍響應(yīng)曲線

圖10 海況2下船艏向的階躍響應(yīng)曲線

3 結(jié)語(yǔ)

DP/DT控制算法部分采用了基于模糊的PID控制算法，充分利用了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)制定了符合耙吸挖泥船應(yīng)用的模糊規(guī)則，取得了預(yù)定的定位效果。DP/DT技術(shù)是現(xiàn)代船舶行業(yè)的一種高附加值的高新技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器及推進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，必將在未來(lái)的船舶制造中得到更多的應(yīng)用和發(fā)展。

［1］何崇德.“大洋一號(hào)”船的動(dòng)力定位系統(tǒng)［J］.船舶工程，2004，26（2）:24～27.

［2］竇振中.模糊邏輯控制技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1995:149～152.

［3］Max J.Morgan.Dynamic Positioning of Offshore Vessels［Z］.Marine Division Honeywell Inc.1978.

［4］李文魁，陳永冰，田蔚風(fēng)，蔣志營(yíng).現(xiàn)代船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.船海工程，2007，36（5）:77～79.

［5］IHC SYSTEMS.動(dòng)態(tài)定位和動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)操作手冊(cè)［Z］.2002：99.

［6］Katsyro Kijima，Yoshitaka Furukawa.On a dynamic positioning system for off shore platform［J］.OMAE1997-VolumeI-A，Offshore Technology ASME 1997:112.

［7］謝劍英，賈青.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（第3版）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2006:136～137.

DP/DT control algorithm for Trailing Suction Hopper Dredger

Yin Zhi-hua Yu Meng-hong Yuan Wei

Dynamic Positioning and Dynamic Tracking；Trailing Suction Hopper Dredger；fuzzy-PID

With the description of Dynamic Positioning and Dynamic Tracking（DP/DT）System for a Trailing Suction Hopper Dredger，the positioning and tracking under predefined circumstances is enhanced by fuzzy PID control algorithm.Based on the engineering experience，the rules of fuzzy-PID for Trailing Suction Hopper Dredger is customized and simulated by Matlab and Simu link.The tests show that the newly developed control algorithm substantially provides efficient DP/DT control performance even in severe environmental conditions and satisfies the practical requirements.

U675.9

A

1001-9855（2011）02-0049-05

2010-09-01

［項(xiàng)目性質(zhì)］江蘇省科技廳高技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：BG2007031）。

尹志華（1986-），男，漢族，碩士研究生，主要從事船舶控制研究工作。