基于最优控制技术的船舶航向控制研究.pdf

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1、第6期(总第130期)机械管理开发2012年l2月No．6(SUMNo．130)MANAGEMENTANDDEVELOPMENTDeo．20l2基于最优控制技术的船舶航向控制研究杨金波，于慧彬(1．辽宁省葫芦岛市92493部队21分队，辽宁葫芦岛125000；2．山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛266001)摘要：航向控制精度和航向控制能耗是考核航向控制性能的重要指标。高海况下由于海浪干扰力矩较大，很难通过操舵对航向的精确控制；低海况下操舵具有提高航向控制精度的能力。为满足船舶对航向控制

2、精度的需求，可以通过调整控制参数提高航向控制精度。最优控制可以实现控制系统对控制精度和能量消耗的调节。根据海况和航向控制对控制精度和能耗的需求，采用最优设计不同的控制器，实现航向控制系统对控制精度和能耗的调节。关键词：最优控制；航向控制；无效操舵中图分类号：U666．159文献标识码：A文章编号：1003—773X(2012)06—0050—020引言通过调整Q和尺来调整对控制精度和控制能耗航向控制精度和航向控制能耗是评价船舶航向控的关系，Q越大表示对控制系统的控制精度要求越制系统性能的重要指标。随着海况的增加，海浪干扰高，R越

3、大表示对控制能耗限制越大。解如下黎卡幅值逐渐增DI1l”。海况较高的情况下，船舶受到的海提方程：浪干扰力矩远大于舵控制力矩，此时通过操舵很难有A了、S+SA—SBR一BS+Q=0．(4)效减小航向偏差，常称这种情况下的操舵为无效操舵，得最优控制规律如下：无效操舵增加了舵机的磨损和能耗，增加了航行成本，K=-RBS．(5)降低了操舵系统的可靠性。低海况情况下，由于海浪3航向控制系统仿真干扰力矩较小，可以通过操舵提高船舶航向控制精根据前面提供的船舶航向系统模型、海浪干扰模度。因此，如何降低高海况下航向控制系统对海浪干型、以及本文设计

4、的航向控制，建立航向控制数值仿真扰的响应，以及低海况下如何提高航向控制精度，成为系统，并对海况3级和5级情况下、航速18节、浪向航向控制系统设计的重要指标。本文采用最优控制技90。时不同控制参数控制下，船舶航向控制系统进行术进行航向控制系统设计，以调节航向控制系统对航仿真，并对航向控制效果进行统计。向控制精度和能耗的不同需求。图1和图2给出3级海况下，航向修正15。，不同1海浪干扰特性分析控制参数下船舶航向控制系统的仿真曲线。仿真效果成熟的海浪干扰是一个零均值的随机过程，而且显示，3级海况下，通过最优控制调整控制参数后船舶海浪能

5、量分布满足一定的规律。经过多年的观测，统航向控制效果有一定的提高，同时操舵幅度有所增加。计工作者总结出了多种波能谱表达式，其中常用的有11P—M谱和Jonswap谱，本文以P—M谱表达式为例分析11海浪干扰特性：—。1s(oa)=Aoa～exp(一Boa一1．(1)式中：A=0．0081g，B=3．1l／3，g为重力加速度，H1。为海浪有义波高。随着海况的增加，海浪能t／s量逐渐增加，海浪干扰主值频段会向低频区域移动。图1航向控制曲线对比2航向控制系统设计选择某型船为研究对象，该船航向运动模型为：Mlal2O1bl1I=lLa2

6、20+Ibl2(2)0l03J式中：为船舶横向运动速度，r为船舶航向角速度，为船舶航向角，为舵角。采用最优控制方法设计航向控制系统，选择目标函数为：图2舵角曲线对比图3和图4给出5级海况下，航向修正15。，不同J。(7’+ttTR)dr．(3)收稿日期：20l2一O7—09作者简介：杨金波(1974一)，男，吉林四平人，工程师，本科，研究方向：水文气象观测。·50·第6期(总第130期)杨金波，等：基于最优控制技术的船舶航向控制研究2012年12月控制参数下船舶航向控制系统的仿真曲线。仿真效果4总结显示，采用最优控制时调整控制参

7、数提高了船舶航向研究结果显示采用最优控制算法实现了对船舶航控制精度，但是操舵幅度也有相应提高。向的有效控制，通过调整控制参数实现了对船舶航向1控制精度和航向控制能量消耗的调节，达到了预期的11目标，可以为船舶航向控制系统的设计提供一定的理g-．1l论指导。鱼参考文献[1】金鸿章，姚绪梁．船舶控制原理【M1．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001．【2]ThorI．FoosenandLauvdal，T，NolinearStabilityAnalysisoft／sshipAutopilotsinSway，RollandYaw，The

8、3“’Conferenceon图3航向控制曲线对比MarineCraftManeuveringandControl[M1．Southampton，UK，1994．[3]ThorI．Foosen，GuidenceandControlofOceanVehicles[