關(guān)于ADRC的船舶主機(jī)控制器設(shè)計(jì)以及仿真分析

曹鏑

摘 要：隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，船舶航向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所具有的不確定性和非線性特征越來越明顯，自動(dòng)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(jì)工作存在一定的難度，文章主要對(duì)ADRC船舶主機(jī)控制器的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析和探討，并提出針對(duì)性的設(shè)計(jì)原則。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析和探討，不難發(fā)現(xiàn)這種控制器對(duì)于船舶的實(shí)際航向運(yùn)動(dòng)所具有的環(huán)境、參數(shù)不確定性和非線性等控制對(duì)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(duì)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(jī)控制器；設(shè)計(jì)工作；仿真分析

引言

船舶交通在當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中承擔(dān)著將近90%的國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸工作需求，海上交通的密集程度也隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷進(jìn)步，從而航行工作需要達(dá)到更高的經(jīng)濟(jì)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(shí)際航行過程中，還會(huì)受到風(fēng)力因素對(duì)船舶產(chǎn)生的附加變動(dòng)風(fēng)力以及均風(fēng)力的影響。在最近幾年的社會(huì)發(fā)展中，自動(dòng)化配合智能化船舶的發(fā)展相對(duì)較快，但是，受到船舶運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)的復(fù)雜性影響，船舶運(yùn)動(dòng)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(píng)估系統(tǒng)運(yùn)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(duì)其進(jìn)行補(bǔ)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(qiáng)、算法簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，還能夠保證數(shù)字化工作更好地實(shí)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

船舶運(yùn)動(dòng)可以通過狀態(tài)空間模型來對(duì)其加以表述，還可以利用輸入-輸出模型來分析。從船舶的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)幾個(gè)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(gè)影響因素，其中較為簡(jiǎn)單的一種響應(yīng)模型表現(xiàn)為Nomoto模型，具體如下所示：

因?yàn)榇暗暮较蜻\(yùn)動(dòng)具有非線性特征，其模型參數(shù)也會(huì)隨著航速、水深、裝載質(zhì)量的變化而產(chǎn)生攝動(dòng)，風(fēng)、流以及浪所產(chǎn)生的擾動(dòng)作用也會(huì)讓船舶的航向受到影響，航向控制的主要執(zhí)行器的舵機(jī)機(jī)構(gòu)屬于動(dòng)態(tài)的一個(gè)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(jì)措施

對(duì)于存在未知擾動(dòng)的n階SISO非線性不確定控對(duì)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(duì)象外部的擾動(dòng)，其中的u作為一個(gè)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(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，配合非線性狀態(tài)誤差的實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行快速、無超調(diào)地跟蹤，并給出相應(yīng)的微分信號(hào)。ESO則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的模型、狀態(tài)以及外繞加以評(píng)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(duì)象及時(shí)反饋給積分器串聯(lián)型，從而設(shè)計(jì)出較為理想的狀態(tài)誤差反饋控制器，并對(duì)這種誤差反饋通過有效科學(xué)的方式來進(jìn)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(shí)現(xiàn)。要想能夠從根本上實(shí)現(xiàn)上述的船舶航向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按照常規(guī)的方法來分析，大都會(huì)設(shè)計(jì)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(jī)機(jī)構(gòu)的一個(gè)控制器。根據(jù)從內(nèi)環(huán)到外環(huán)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)順序來對(duì)控制器的參數(shù)加以整定，其中的ADRC2一共有11個(gè)參數(shù)，而ADRC1則有15個(gè)不同的參數(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大（圖2）。

從船舶航向控制器的實(shí)際設(shè)計(jì)角度來分析，整個(gè)設(shè)計(jì)工作的主要目的就是能夠跟蹤船舶的航向并保持準(zhǔn)確，所以，把船舶的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型以及舵機(jī)機(jī)構(gòu)模型當(dāng)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，保證控制器的設(shè)計(jì)工作以及設(shè)計(jì)步驟能夠得以簡(jiǎn)化。

3 結(jié)束語

從ADRC船舶主機(jī)控制器設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果來分析，不難發(fā)現(xiàn)立足于ADRC設(shè)計(jì)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(dòng)、系統(tǒng)綜合擾動(dòng)以及隨機(jī)攝動(dòng)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(duì)較廣等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，屬于相對(duì)理想的一種航向控制系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)船舶航向小角度時(shí)，其航向相應(yīng)不存在任何超調(diào)的問題，但是，整個(gè)相應(yīng)速度相對(duì)較慢，其主要原因是設(shè)計(jì)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(duì)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(jiǎn)稱：ADRC）屬于不通過系統(tǒng)模型得以實(shí)現(xiàn)的新型控制技術(shù)，能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行過程中受到的不同內(nèi)擾和外擾作用加以補(bǔ)償和評(píng)估，并且結(jié)合這種特殊的非線性反饋結(jié)構(gòu)來達(dá)到顯著的控制要求，具有響應(yīng)快、超調(diào)小、算法簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特征，從而保證數(shù)字化過程得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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