低噪聲工況下潛艇自動(dòng)舵控制策略研究

黃利華，于 俊，王長(zhǎng)杰，劉志宏

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074)

0 引言

潛艇的操舵系統(tǒng)通常都是按全速航行滿舵工況設(shè)計(jì)的，在潛艇操舵過程中，打舵速度基本都是處于“飽和控制”狀態(tài)，除打舵到位時(shí)，都處于最大打舵速度狀態(tài)。在該狀態(tài)下，一方面潛艇具有最大的操縱性能，另一方面操舵產(chǎn)生最大的水動(dòng)力輻射噪聲和沖擊振動(dòng)輻射噪聲，其打舵速度和打舵加速度缺乏某種合理有效的規(guī)劃。低噪聲工況下潛艇自動(dòng)舵控制策略研究即要研究合適的打舵規(guī)律，有效規(guī)劃舵板的打舵速度及舵角，適當(dāng)降低舵機(jī)性能，使得操舵過程中，既能保證滿足潛艇的操縱性需要，又能較大地降低操舵輻射噪聲。

1 研究背景

潛艇的主要機(jī)動(dòng)任務(wù)是垂直面的深度機(jī)動(dòng)和水平面內(nèi)的航向機(jī)動(dòng)。因此，潛艇操舵控制系統(tǒng)一般涉及深度和航向的控制。

潛艇操縱自動(dòng)化的廣泛研究從20世紀(jì)50年代開始，1959年在“喬治·華盛頓”級(jí)(SSBN598)核潛艇上裝備的“潛艇航向和深度自動(dòng)保持系統(tǒng)”可以同時(shí)或分別自動(dòng)保持航向和深度，但變深和變向則需人工控制，它是美國(guó)潛艇自動(dòng)控制系統(tǒng)的第一代。1961年，K.J.Kenberg等用經(jīng)典的比例－積分－微分(PID)控制理論對(duì)108級(jí)潛艇的自動(dòng)舵進(jìn)行了系統(tǒng)研究［1］，包括航向、深度控制、橫搖校正、側(cè)洗流補(bǔ)償、縱傾限制和橫傾限制等許多方面，具有重要參考價(jià)值。早期的PID控制方法的缺點(diǎn)在于PID控制參數(shù)隨環(huán)境變量變化的整定優(yōu)化是比較麻煩，隨機(jī)性較大，不易確定。

2 潛艇空間運(yùn)動(dòng)仿真模型

潛艇的水下運(yùn)動(dòng)是空間六自由度運(yùn)動(dòng)［2］，在水下航行時(shí)，潛艇主要依靠操縱首、尾升降舵和方向舵來保持和改變深度及航向。人們對(duì)操縱性的直觀理解是基于艇員如何利用潛艇上的儀表、指令系統(tǒng)和操舵系統(tǒng)來控制好潛艇在水中的航行姿態(tài)。但對(duì)于工程人員來說，如果要對(duì)潛艇操縱性進(jìn)行仿真研究和控制部件的設(shè)計(jì)，就需要將操縱性抽象出來加以應(yīng)用，也就是要使用潛艇空間運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。

1967年，美國(guó)海軍艦船研究和發(fā)展中心(DTNSRDC)的Gertler和Hagen發(fā)表了潛艇空間標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方程［3］。這個(gè)方程是建立在大量船模試驗(yàn)(拘束船模和自由航模)和試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，該標(biāo)準(zhǔn)方程是帶有官方性質(zhì)機(jī)構(gòu)發(fā)布的，具有很高的權(quán)威性，被世界各國(guó)廣泛采用。1979年，F(xiàn)eldman對(duì)潛艇在高速、大舵角回轉(zhuǎn)過程中潛艇上的水動(dòng)力特性分析后給出了改進(jìn)方程［4］。該方程主要考慮了橫向流阻力、運(yùn)動(dòng)過程中水動(dòng)力產(chǎn)生的歷程效應(yīng)(記憶效應(yīng))，以及指揮臺(tái)圍殼下泄渦在尾附體上誘導(dǎo)產(chǎn)生的橫滾和有艇體的掩蔽作用在尾升降舵和方向舵上產(chǎn)生的局部升力。因此該方程在水動(dòng)力的表達(dá)形式上作了較大的改變。

本文中所采用的潛艇空間機(jī)動(dòng)數(shù)學(xué)模型以Feldman改進(jìn)方程為基礎(chǔ)，以Fortran程序進(jìn)行編譯，以文本的形式設(shè)置輸入輸出，并形成可執(zhí)行程序。

3 低噪聲自動(dòng)舵控制模型設(shè)計(jì)

在潛艇的操縱控制中，常規(guī)的自動(dòng)舵算法繁瑣，物理實(shí)現(xiàn)成本高，參數(shù)調(diào)整難度大。一般的模糊控制自動(dòng)舵是一種基于模糊規(guī)則的控制系統(tǒng)，由于受控制過程的非線性、時(shí)變性及隨機(jī)干擾等因素的影響，造成模糊控制規(guī)則不適合和不完整，影響控制效果。目前我國(guó)絕大多數(shù)船舶上裝備的均是PID自動(dòng)舵。傳統(tǒng)的PID自動(dòng)舵具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好，可靠性高、穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)，所以至今仍有較強(qiáng)的生命力。但它也存在固有不足。本文將針對(duì)傳統(tǒng)PID自動(dòng)舵的局限性，以降低舵噪和提高控制效率為目的展開研究，并給出較優(yōu)控制策略模型。

3.1 傳統(tǒng)PID控制存在的問題及改進(jìn)策略

傳統(tǒng)PID存在固有局限性，其在設(shè)計(jì)中使用的性能準(zhǔn)則不是最佳，多以追求某方面的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，對(duì)航向保持而言，目前通用的PID自動(dòng)舵是單純追求航向精度，是以損耗舵機(jī)能源和降低船速為代價(jià)的，因而不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)航行，同時(shí)損害了潛艇隱身性能，舵角過大會(huì)產(chǎn)生較大的水動(dòng)力噪聲，操舵頻繁導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的反復(fù)起停，導(dǎo)致較大的機(jī)械噪聲。

為了達(dá)到低噪聲操舵的目的，將操舵噪聲指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)的約束條件。由于操舵系統(tǒng)的機(jī)械噪聲主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)舵速率，水動(dòng)力噪聲主要體現(xiàn)在舵角的幅值，因此將轉(zhuǎn)舵速率、舵角幅值的大小作為約束條件，利用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)，針對(duì)某種潛艇動(dòng)態(tài)特性(即某一固定航速)以及某種海況(即某種特性的干擾力)，以定深(或定向)、變深(或變向)為目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)，找到對(duì)應(yīng)的綜合最優(yōu)PID控制參數(shù)。

3.2 自動(dòng)舵控制器總體結(jié)構(gòu)

潛艇操縱運(yùn)動(dòng)大體分為三大類。第一類，轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)或航向保持;第二類，變深機(jī)動(dòng)航行或深度保持;第三類，轉(zhuǎn)向過程中變深或變深過程中轉(zhuǎn)向。第三類其實(shí)是第一類運(yùn)動(dòng)和第二類運(yùn)動(dòng)的綜合。選擇指令的航向角、深度、縱傾角作為系統(tǒng)的給定輸入，每個(gè)通道有1個(gè)自適應(yīng)PID控制器，分別對(duì)應(yīng)潛艇的3個(gè)舵面操縱量方向舵舵角、首舵舵角、尾舵舵角。

對(duì)于第一類動(dòng)作給出指定航向角，給定航向角與實(shí)際航向角之間形成誤差信號(hào)，通過比例因子變換為PID控制器的輸入。PID控制器經(jīng)過1個(gè)PID環(huán)節(jié)變?yōu)闈撏Х较蚨娴闹噶疃娼?，指令舵角?jīng)過實(shí)物舵機(jī)或數(shù)字仿真舵機(jī)，輸出方向舵的實(shí)際舵角，然后經(jīng)過潛艇六自由度空間運(yùn)動(dòng)仿真獲得新的實(shí)際航向角，新航向角繼續(xù)與指定航向角進(jìn)行比對(duì)形成閉環(huán)回路。

對(duì)于第二類動(dòng)作給出深度指令，給定深度與實(shí)際深度之間形成誤差信號(hào)，通過比例因子變換為PID控制器的輸入，經(jīng)過PID自適應(yīng)環(huán)節(jié)變?yōu)闈撏У氖锥娑娼侵噶?，?jīng)過舵機(jī)轉(zhuǎn)換成實(shí)際舵角，首舵舵角通過潛艇六自由度運(yùn)動(dòng)仿真后得到新的實(shí)際深度及縱傾角，其中縱傾角通過比例因子的第3個(gè)PID控制器(即尾舵控制器)的輸入，經(jīng)過自適應(yīng)PID環(huán)節(jié)后得到尾舵的指令舵角，經(jīng)過舵機(jī)轉(zhuǎn)換為實(shí)際舵角，尾舵舵角用來控制縱傾，使其不至于過大而使?jié)撏タ刂?。整個(gè)控制方案構(gòu)成的系統(tǒng)控制方框圖如圖1所示。

3.3 控制參數(shù)優(yōu)化

PID控制器要取得較好的控制效果，就必須調(diào)整比例、積分和微分3種控制作用，形成控制量中既相互配合又相互制約的關(guān)系，這種關(guān)系不一定是簡(jiǎn)單的線性組合，必須從這些變化無窮的組合關(guān)系中，根據(jù)目標(biāo)值尋找最優(yōu)關(guān)系。

圖1 自動(dòng)舵控制系統(tǒng)方框圖Fig.1 The diagram of autopilot control system

PID控制在工業(yè)過程控制中至今仍然得到廣泛應(yīng)用。其參數(shù)調(diào)整大多數(shù)采用人工經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下的試驗(yàn)試湊方法，如典型的Ziegler-Nichols方法［5］。目前出現(xiàn)了一些基于遺傳算法［6］、粒子群［7］和模糊推理等整定方法。PID參數(shù)選擇，需綜合考慮控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性以及準(zhǔn)確性三者之間的制約關(guān)系，因此整定過程可以看成是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化［8］問題。

把系統(tǒng)超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)，采用改進(jìn)非劣分層多目標(biāo)遺傳算法求出最優(yōu)解。由這些最優(yōu)解構(gòu)成決策矩陣，使用客觀賦權(quán)的信息熵法求出了屬性的權(quán)重，然后采用逼近理想解的排序方法對(duì)最優(yōu)解給出排序。

在某一固定的航速和某一轉(zhuǎn)舵速率下，設(shè)定的工況為轉(zhuǎn)首，即航向從0°轉(zhuǎn)向至某一航向角，以最小航向超調(diào)量、最短到達(dá)指令航向時(shí)間為目標(biāo)，對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到給定工況下的一組最優(yōu)解集，然后根據(jù)最小超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間綜合選取一個(gè)最優(yōu)PID控制參數(shù)。依次類推得到在不同舵速下對(duì)應(yīng)(即最大轉(zhuǎn)舵速率的20%，30%…100%)的最優(yōu)P，I，D控制參數(shù)，優(yōu)化流程圖如圖2所示。

4 仿真試驗(yàn)及結(jié)果

潛艇運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和舵機(jī)實(shí)物試驗(yàn)系統(tǒng)，組建成半實(shí)物［9］的聯(lián)合實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，來開展此項(xiàng)目的半實(shí)物仿真試驗(yàn)研究，其目的是測(cè)試和驗(yàn)證操舵系統(tǒng)的控制策略是否能在有效的控制潛艇的深度及航向精度的前提下達(dá)到減振降噪的要求。本文主要以定深轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)為例進(jìn)行試驗(yàn)說明。半實(shí)物仿真試驗(yàn)流程圖如圖3所示。

定深轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)試驗(yàn)主要是不同航速下以不同的舵速進(jìn)行航向偏轉(zhuǎn)的仿真試驗(yàn)，舵速分為最大轉(zhuǎn)舵速率的 20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%和100%。本項(xiàng)試驗(yàn)所有典型試驗(yàn)工況和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 定深轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)試驗(yàn)工況和結(jié)果Tab.1 Experimental conditions and results

由表1試驗(yàn)結(jié)果分析，最大轉(zhuǎn)舵速率值由100%降低至20%，進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)，其超調(diào)量均小于標(biāo)準(zhǔn)要求的機(jī)動(dòng)范圍10%的要求，機(jī)動(dòng)時(shí)間僅比最大轉(zhuǎn)舵速率100%時(shí)的機(jī)動(dòng)時(shí)間多出10 s，同時(shí)舵機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲最多可降低約5 dB。

本文以60%的最大轉(zhuǎn)舵速率進(jìn)行定深轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)為例和傳統(tǒng)PID的控制結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果曲線圖見圖4(ψ:航向角;δ:方向舵舵角)。

圖4 航向控制及舵角變化曲線Fig.4 Heading control and rudder angle curve

從圖4可以看出，在舵速和舵角幅值等約束條件下，運(yùn)用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化后得到的自動(dòng)舵控制模型，通過降低轉(zhuǎn)舵速率和舵角幅值，降低了舵機(jī)的損耗以及舵機(jī)的機(jī)械噪聲和水動(dòng)力噪聲，同時(shí)保持了對(duì)航向的良好控制，對(duì)航向控制的平穩(wěn)性、超調(diào)量均優(yōu)于傳統(tǒng)PID自動(dòng)舵。

5 結(jié)語

本文通過約束舵機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)舵速率和舵角幅值，運(yùn)用優(yōu)化算法，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到同時(shí)滿足降低舵機(jī)振動(dòng)噪聲、水動(dòng)力噪聲和潛艇自動(dòng)控制性能的目的。半實(shí)物仿真試驗(yàn)表明，采用低噪聲工況操舵控制策略后，可在滿足潛艇機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性的要求下，顯著降低舵機(jī)系統(tǒng)的輻射噪聲，具有較高的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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