基于時間尺度分析的船舶舵減搖系統(tǒng)在路徑跟蹤中的應(yīng)用.pdf

1、隨著國際航運(yùn)、海洋工程的高速發(fā)展，以及海軍艦艇的高機(jī)動性要求，船舶的減搖和操縱控制已經(jīng)成為衡量船舶性能的重要指標(biāo)。例如，國際航運(yùn)中廣泛使用的大型和超大型寬體集裝箱船很容易在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生大幅的橫搖，導(dǎo)致失穩(wěn)甚至傾覆，其減搖控制已成為一個重要的研究課題。此外，海洋作業(yè)的特殊需求以及軍事艦艇所需要的機(jī)動性，對船舶的路徑跟蹤性能也提出了更高的要求。近年來，船舶控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)已經(jīng)從傳統(tǒng)的航向保持、航跡保持等問題轉(zhuǎn)向路徑跟蹤、軌跡追蹤和減搖控

2、制等更為復(fù)雜的非線性問題。
　　由于船舶運(yùn)動系統(tǒng)自身和外部激勵力的復(fù)雜性，使得現(xiàn)代船舶運(yùn)動控制充滿了挑戰(zhàn)。具體的難點(diǎn)在于：船舶運(yùn)動系統(tǒng)具有欠驅(qū)動和非線性等特征，并且在復(fù)雜外力作用下還有著很強(qiáng)的系統(tǒng)不確定性；許多現(xiàn)代的路徑跟蹤控制算法在形式上十分復(fù)雜，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用；船舶的舵力相對較小，難以產(chǎn)生有效的高性能控制輸入；包括橫搖運(yùn)動在內(nèi)的六自由度運(yùn)動系統(tǒng)通常具有所謂的非最小相位特征，使得減搖控制尤其困難。
　　本文的主要脈

3、絡(luò)是研究船舶運(yùn)動控制的綜合性問題：從時間尺度分解的角度來研究船舶路徑跟蹤問題中的舵減搖控制。而研究的思路采用典型的分析、綜合法，即先將問題分解為路徑跟蹤控制問題和舵減搖控制問題，并獨(dú)立研究合適的控制算法。然后將二者綜合，獲得路徑跟蹤問題中的舵減搖控制。值得注意的是，這些控制問題都是近年來的研究熱點(diǎn)。而本文采用了較新穎的控制思想和方法，簡介如下：
　　1)在路徑跟蹤問題中引入L1自適應(yīng)控制，得到高效魯棒的路徑跟蹤控制性能。
　

4、　2)基于奇異攝動法的時間尺度分解方法，將傳統(tǒng)的舵減搖系統(tǒng)分解為慢變的航向保持子系統(tǒng)和快變的橫搖子系統(tǒng)。
　　3)結(jié)合L1自適應(yīng)控制和奇異攝動法的時間尺度分析，研究船舶四自由度路徑跟蹤問題中的舵減搖控制。
　　具體來說，本文的主要工作包括：建立單自由度、三自由度和四自由度的船舶運(yùn)動控制模型。模型是船舶運(yùn)動控制的起點(diǎn)。選擇模型的原則在于，它在能夠描述待控制系統(tǒng)的主要特征的前提下保持盡量的簡單。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討了

5、不同場景下所采用的模型和相應(yīng)的簡化手段。此外，本文簡單介紹了L1自適應(yīng)控制和奇異攝動的理論和穩(wěn)定性分析。
　　基于L1自適應(yīng)控制策略實(shí)現(xiàn)對船舶路徑跟蹤系統(tǒng)的高魯棒性控制。在曲線路徑的路徑跟蹤問題中，系統(tǒng)的不確定性問題一直特別重要。這樣的不確定性一方面是來源于風(fēng)浪流等外力的影響，另一方面則是由于追蹤路徑的幾何復(fù)雜性。本文引入L1自適應(yīng)控制方法來處理具有大不確定性的船舶路徑跟蹤系統(tǒng)。L1自適應(yīng)控制有著快速的自適應(yīng)速度和相對簡單的控制形

6、式。同時，L1控制理論建立在L1范數(shù)等嚴(yán)格數(shù)學(xué)理論上，使得其具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本文采用基于導(dǎo)航(Guidance-Based)的控制策略，將路徑跟蹤系統(tǒng)分為一個導(dǎo)航子系統(tǒng)和一個控制子系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)只考慮軌跡的幾何信息，將控制問題描述在一個改進(jìn)的Serret-Frenet坐標(biāo)系下，從而將路徑跟蹤問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€鎮(zhèn)定問題。而控制子系統(tǒng)只需要考慮船舶運(yùn)動的動力學(xué)特性，它將導(dǎo)航系統(tǒng)反饋進(jìn)來的期望首向角速度作為輸入，并結(jié)合適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǐ@得舵角輸

7、出，然后通過執(zhí)行裝置輸出真實(shí)的舵角命令。整個控制系統(tǒng)采用L1自適應(yīng)控制策略，將航向控制系統(tǒng)抽象為一個一階自適應(yīng)Nomoto模型。在L1自適應(yīng)控制理論中，系統(tǒng)的不確定性由一個自適應(yīng)參數(shù)?來捕捉，并通過自適應(yīng)策略對此參數(shù)進(jìn)行在線的辨識。L1自適應(yīng)控制具有較快的自適應(yīng)性能，一旦自適應(yīng)參數(shù)?獲得較為穩(wěn)定的估計(jì)值，系統(tǒng)往往就會獲得穩(wěn)定的控制輸出。本文重點(diǎn)研究了緩變波浪力和路徑幾何復(fù)雜性對系統(tǒng)不確定性的影響并評估L1自適應(yīng)控制的效果。文中還給出了詳

8、細(xì)的控制器設(shè)計(jì)流程和穩(wěn)定性分析。
　　用基于奇異攝動法的時間尺度分析方法研究船舶舵減搖系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)。本文討論了經(jīng)典的船舶航向保持問題中的舵減搖系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)。不同于傳統(tǒng)的頻域分析方法，本文采用時域的分析方法，因而會有更精細(xì)的狀態(tài)信息。時間尺度分析的出發(fā)點(diǎn)在于：在實(shí)際情況下，船舶的橫搖運(yùn)動比首搖運(yùn)動要快很多，這也正是船舶運(yùn)動系統(tǒng)著名的非最小相位特征產(chǎn)生的原因。本文基于奇異攝動方法，將四自由度船舶運(yùn)動系統(tǒng)分解為一個快變的橫搖運(yùn)動子系統(tǒng)

9、和慢變的航向控制子系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的解耦分析方法，通過所謂的準(zhǔn)靜態(tài)平衡點(diǎn)(QSSE)，可以在不同時間尺度子系統(tǒng)之間傳遞耦合作用。這種耦合作用通常是很重要的，例如，定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動會使得船舶產(chǎn)生一個定常的橫傾角，這實(shí)際上可以視為慢變的軌跡運(yùn)動對快變的橫搖運(yùn)動所產(chǎn)生的耦合影響。在本文中，奇異攝動采取以下的標(biāo)準(zhǔn)流程：將船舶運(yùn)動系統(tǒng)描述成一個奇異方程組的形式；采用奇異攝動假設(shè)，計(jì)算出準(zhǔn)靜態(tài)方程，并將系統(tǒng)解耦為一個慢變子系統(tǒng)和一個快變子系統(tǒng)；將快變子

10、系統(tǒng)的時間尺度延展為一個新的時間尺度τ，在這個新的時間尺度下，慢變的狀態(tài)可以假設(shè)為常值；在解耦的子系統(tǒng)中分別設(shè)計(jì)控制算法，且需要保證不同子系統(tǒng)中的控制輸入具有所謂的帶寬分離的特性，以減小子系統(tǒng)間的耦合影響；結(jié)合兩個子系統(tǒng)中的控制輸入，得到總的控制律。本文給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程、穩(wěn)定性證明和魯棒性分析。
　　綜合L1自適應(yīng)控制方法和奇異攝動理論，解決路徑跟蹤問題中的船舶舵減搖控制問題。該部分設(shè)定了兩個控制目標(biāo)：路徑跟蹤性能和橫搖減搖性

11、能。本文把路徑跟蹤性能指標(biāo)放在第一位，在保證一定的路徑跟蹤性能和舵角限制的情況下，將衰減橫搖角作為控制的第二個目標(biāo)。在路徑跟蹤中的減搖控制是一個十分困難的問題，主要源于以下三個原因：曲線的軌跡運(yùn)動使得波浪力變得更加復(fù)雜，同時幾何復(fù)雜性也必然增加了系統(tǒng)的不確定性；由于舵效的有限，需要權(quán)衡舵效在不同子系統(tǒng)之間的分配；在時間尺度分解的框架下，子系統(tǒng)的控制輸入需要具有所謂的帶寬分離的特征，而復(fù)雜的外部干擾和系統(tǒng)不確定性使得軌跡控制系統(tǒng)很可能也具

12、有高頻的輸入部分，從而干擾快變的橫搖系統(tǒng)的控制。在這樣的背景下，本文的軌跡控制系統(tǒng)中所采用的L1自適應(yīng)策略就顯得尤其的重要。L1控制的快速自適應(yīng)性能夠快速鎮(zhèn)定系統(tǒng)，在線辨識系統(tǒng)的不確定性，能夠給出十分平滑和低頻的控制輸出。仿真結(jié)果顯示，在具有較大外部干擾和復(fù)雜的跟蹤路徑情景下，自適應(yīng)控制仍然能夠給出有效的跟蹤性能，并且舵角輸出非常平緩。這就留下更多的舵角裕度給快變的橫搖子系統(tǒng)的控制，使其能夠獲得有效的舵角帶寬而保證控制算法的有效性。本文