無人救撈艇的航向控制器設(shè)計＊

羅 哲，王 寧，蔡壽國，趙啟壯，姚子豪，仇季瑾

（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

救撈無人艇的航向控制，是保證其能夠迅速到達救援區(qū)域?qū)崿F(xiàn)成功救撈的基礎(chǔ)性功能。其一般由跟蹤航向和航向保持兩部分構(gòu)成。航向跟蹤要求無人艇的實際航向ψ逐漸變得和設(shè)定航向角ψr一樣。航向保持則是要求舵角δ要克服各種干擾將實際的航向角ψ牢牢地穩(wěn)定在設(shè)定航向ψr上。航向控制通常采取閉環(huán)控制[1]，通過實際航向ψ與設(shè)定航向ψr比較，形成航向誤差信息△ψ=ψr-ψ，經(jīng)過航向控制算法給出命令舵角δr，控制船頭朝減少航向偏差的方向轉(zhuǎn)動。

1 無人艇航向PID控制器設(shè)計

本文中，為簡化分析無人艇模型采用Nomoto模型：

通常利用單純的PD控制器，就可以實現(xiàn)航向控制，但是考慮水上航行時船舶遭遇波浪的干擾，導(dǎo)致產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。因此，需要對PD控制律中添加積分項來進行補償[2]。取控制律如下：

將其代入到Nomoto模型中，獲得系統(tǒng)閉環(huán)特征方程：

其中KP、KD、KI的取值只要保證上式的特征根實部均小于0即可。求得。其中ωn為系統(tǒng)自然頻率，ξ為阻尼比。需要說明的是這并非參數(shù)整定完畢，需要對其調(diào)整確定最終控制器參數(shù)。

2 航向控制器得Matlab仿真

利用Simulink構(gòu)造的無人艇航向控制器如圖1所示。

圖1 無人艇仿真Simulink模型

首先是航向角參考輸入設(shè)定；然后就是設(shè)計的PID控制器，三個增益則分別表示所需要的參數(shù)值；PID控制器輸出送入舵角模型，在該部分設(shè)計有兩個限幅器，分別用于模擬船舵的左右最大幅值和舵的轉(zhuǎn)速限制；最后一部分則是無人艇的Nomoto模型。系統(tǒng)模型采用。在仿真中用為模擬船舶在運行過程中遇到的風(fēng)浪干擾，采用白噪聲驅(qū)動一個二階振蕩環(huán)節(jié)。在六級風(fēng)的作用下得到海浪模型傳遞函數(shù)為[3]：

將其進行離散化，取采樣時間設(shè)為1 s，白噪聲強度設(shè)為1 000，得到其離散模型：

3 仿真結(jié)果分析及結(jié)論

仿真時，設(shè)定參考航向角為75°，考慮波浪的影響，得到的仿真曲線如圖2和圖3所示。

圖2 航向角變化曲線

從圖2、圖3可以看出，在加入了干擾信號后，無人艇仍然能夠按照指定的航向角前進，雖然在圖中看到仿真中后期，實際航向角略微有些波動，但是無人艇始終并沒有脫離預(yù)定的航向，并且相對于無波浪干擾工況，在剛開始的階段，無人艇的舵角始終在按照它的最大變化速率進行改變，但在維持了一段時間后，就開始進行回舵；在受到波浪干擾后，它的變化速率就開始發(fā)生波動，用來抵抗海浪的干擾，保證無人艇按照預(yù)定的方向航行。

圖3 舵角變化曲線

通過仿真曲線分析，可以看到控制器可以較快地跟蹤設(shè)定的航向，并且在波浪干擾的影響下，仍然能夠比較準(zhǔn)確地維持航向，具有較優(yōu)良的性能。