（载运工具运用工程专业论文）船舶航向变结构模型参考模糊自适应控制.pdf

摘要 本文对船舶航向非线性系统的变结构模型参考模糊白适应控制及其在船舶航 向控制中的应用进行了系统的研究。 首先针对船舶线性模型，在讨论了变结构控制理论的基础上，设计了变结构 控制自动舵，并对其进行了仿真。 其次，针对船舶航向非线性不确定系统，提出了一种把变结构控制理论和模 型参考模糊自适应控制结合在一起的控制算法。这种算法是基于变结构控制原理， 并利用具有线性可调参数的模糊系统去逼近过程未知函数，利用一种具有积分功 能的变结构模型参考模糊自适应控制方法进行航向控制，该方法能够保证闭环系 统所有信号有界，进一步通过引入最优逼近误差的自适应补偿项来消除建模误差 带来的影响。理论分析证明跟踪误差收敛到零，仿真结果表明了该方法的有效性。 将此算法在不同外界条件下，如在风浪干扰时，在不同载运状态下，在不同 速度下进行仿真，仿真结果表明该算法的控制效果显著，并与常规模型参考自适 应算法的控制结果进行了比较，证明变结构模型参考模糊自适应算法的性能优越 于传统模型参考自适应控制算法的性能。 为了检验本文提出的船舶航向自动舵的性能，研究了船舶运动数学模型，以 及包括风，流，浪和非线性力作用在船舶上的外界干扰力和力矩的计算模型。利 用m a t l a b 的s i m u l i n k 环境实现了对各种船舶航向自动舵的仿真试验。 关键词：模型参考自适应；变结构；模糊逼近：船舶航向控制 1 v a b s t r a c t t h i st h e s i sh a s s y s t e m a t i c a l t y r e s e a r c h e dv a r i a b l es t r u c t u r ea n d f u z z y c o n t r o l s y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o nt os h i p sc o l l r s es t e e r i n gc o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，a i m e da ts h i pl i n e a rm a t h e m a t i c a lm o t i o nm o d e l ，t h em o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v ea u t o p i l o ti sf i r s td e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so f t h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e c o n t r o lt h e o r y b yc o m b i n i n gv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la n df u z z yc o n t r o l ，an e wc o n t r o ls c h e m ei s p r o p o s e df o rt h es h i ps t e e r i n g sn o n l i n e a rm o d e l i nt h ep r o c e d u r e ，t h ef u z z ys y s t e ma r e u s e dt o a p p r o x i m a t e n o n l i n e a r s y s t e m s ；t h ew e i g h t sc a nb ea c h i e v e db yu s eo f l y a p u n o v ea p p r o a c h t oc o m p e n s a t et h ea p p r o x i m a t i o ne r r o ra n da t t e n u a t et h ee x t e r n a l d i s t u r b a n c e ，ar o b u s tt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e dt ot h ep r o p o s e ds c h e m e a s y m p t o t i c s t a b i l i t yo f t h ed o s e dl o o ps y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h el y a p n n o vt h e o r y , a n dt h et r a c k i n g e r r o r sc o n v e r g e n c et oan e i g h b o r h o o do fz e r o a tl a s t ，t h es c h e m ei sa p p i l i e dt os h i p s c o u r s es t e e r i n gc o n t r o la n dt h es i m u l a t i o nc u r v e ss h o wt h a tt h ed e s i r e dr e s u l t sa r e a r t a i n e d t h ev a r i a b l es t r u c t u r ea n df u z z y c o n t r o la u t o p i l o ti ss i m u l a t e du n d e rd i f f e r e n t c o n d k i o n s ，s u c ha se x t e r nd i s t u r b a n c e s ，l o a d i n g s ，v e l o c i t i e s ，e t c t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h ee f f e c f i v e n e s sa n dt h es a l i e n tp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m e a n d t h ec o m p a r i o nb e t w e e nt h ev a r i a b l es t r u c t u r ea n df u z z y c o n t r o ls c h e m ea n dc o n v e n t i o n a l m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es c h e m ed e m o n s t r a t e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r m e ri s b e t t e rt h a nt h a to ft h el a t t e r t ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea u t o p i l o td e s i g ni nt h i st h e s i s ，s h i p sm a t h e m a t i c a l m o d e li sr e s e a r c h e d ，i nc o n s i d e r a t i o no ft h ef o t e e sa n dm o m e n t sa n dm o m e n t sf r o mt h e e n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e s ，s u c h a s w i n d s ，w a v e s ，c u r r e n t s ，e t c b yu s i n gm a t l a b s s i m u l i n kt o o l b o x ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u to ns h i ps t e e r i n ga u t o p i l o t k e y w o r d s ：m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v e ；v a r i a b l e s t r u c t u r e c o n t r o l ；f u z z y c o n t r o l ；s h i ps t e e r i n ga u t o p i l o t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：艘照魅囱变结塑撞型塞耋搓塑自适应蕉剑：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用举授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打4 ) 论文作者签名： 导师签名：雠乞一 日期：年月 目 i i i 第一章绪论 1 1 研究课题的历史背景 船舶航向自动控制系统【雌】亦称为自动舵，是船舶控制系统中不可缺少的重要 设备，它的性能直接影响着船舶航行的经济性和安全性。因此，自从第一代自动舵 诞生以来，它一直就被当作一个具有较高经济价值和社会效益的重要设备，引起 、 了人们的关注，并吸引着世界各国一代又一代的工程技术人员围绕着进一步改善 其性能这一课题而不断地进行研究和探索。 自动舵的研究是伴随着自动控制理论和技术的发展而发展的。上世纪5 0 年代 古典控制理论首先用于船舶航向控制，产生了p i d 自动舵；7 0 年代末，模型参考 自适应控制 3 】和最小方差自校正控制等自适应控制技术又相继应用于自动舵的研 制，发明了自适应自动舵。但是由于船舶运动的复杂性，受到的环境影响是随机 的和难以预测的，因此，上述控制算法并没有能彻底解决船舶航向的控制问题。 近年来随着智能控制理论包括专家系统、模糊控制，变结构和神经网络等理 论的飞速发展和在工业上的成功应用，国内外相关研究人员开始投入大量精力把 上述理论应用于自动舵。具有人工智能的操舵仪无疑代表着未来船舶自动舵的发 展趋势。本文就是在这样的背景下开展研究的。 1 1 1 船舶航向自动舵设计历史和发展方向 船舶航向自动舵的产生要追溯到上个世纪2 0 年代，美国的s p e r r y 和德国的 a n s u c h z 分别独立研制出了机械式的自动舵 4 】。这种自动舵只能进行简单的比例控 制作用，为了避免振荡行为需要选择低的控制增益，所以只能用于低精度的航向 保持控制。但是，它的出现是个里程碑，它使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体 力劳动实现自动控制的希望。这种机械式自动舵被称为第一代自动舵。 到了5 0 年代，经典控制理论到了鼎盛时期，其控制方法中最重要最典型而且 在工业生产中最常用的一种是比例一积分一微分( p i d ) 控制。这种控制方法被用 于自动舵控制，产生了第二代自动舵即p i d 自动舵【卯。因为它具有结构简单、参数 易于调整和具有固有鲁棒性等特点，能大大提高船舶的航向控制精度，因此当时 得到了广泛的认可。 虽然p i d 自动舵比起第一代自动舵有了很大的提高，但是随着时间的发展， p i d 自动舵固有的不足渐渐显露出来了，p i l l ) 自动舵需要驾驶员根据经验来选择控 制参数，可是由于船舶运动的复杂性和外界干扰的不确定性，要精确的选择参数 非常困难，那么对于航向的随机变化，常规p i d 自动舵很难适应，驾驶员也难以 随着航向情况的变化对p i d 参数进行适当的调整。这种情况带来的后果就是保向 精度降低，对船舶的能源损耗较大。随着爽吨位船舶的出现，p i d 自动舵已经不能 适应操船的需要。为了保证船舶安全，提高航行的经济性，这时候迫切需要种 新的航向自动舵来代替p i d 自动舵，那么直到7 0 年代末期自适应控制理论 6 - t o l 在 船舶操纵方面的成功应用，才使得自动舵的更替成为现实。 自适应理论的研究开始于5 0 年代，但是由于实现上的困难，一直没有用于船 舶控制。后来随着计算机的发展，研究人员才把实验室中的自动舵模型拿到实船 试验中去，经过不断的摸索和试验，终于在7 0 年代中期获得成功，从而诞生了第 三代自动舵即自适应自动舵。由于它采取微机技术，其控制性能、精度有了明 显提高，克服了p i d 自动舵的很多缺陷还拥有很多新的优点。自7 0 年代开始到现 在，自动舵的研制已经进入成熟阶段。 自适应用于船舶操纵的2 0 年间取得很多成功实例，其系统设计方案主要有三 大类，分别为：简单自适应控制、自校正自适应控制和模型参考自适应控制【3 j 。 简单自适应控制不需要知道很精确的被控对象数学模型，控制率仍然采用p i d 形式，按输入一输出方法度量其性能指标，再据此去改变控皋4 器的某些参数，从 而提高控制性能。这种自动舵虽然还存在很多不足，但与传统p i d 自动舵相比， 已经有了长足的进步。一些厂商如美国的i b m 生产的航海船桥操纵系统，瑞典 a b a e r ot e l e n 公司的a s a p e 型舵，美国i o n t r o n s 公司d i g i p l o t 舵，美 国s p e e r y 公司的通用自适应操舵仪，都是采用此原理。 7 0 年代中期，瑞典的k j a s t r o m 等人研究了基于自校正控制的自适应操舵仪， 并于1 9 7 4 年把研究成果进行了海上实船试验，试验结果表明，适应性能良好，在 极其恶劣的海况下仍能j 下常运转，并且由于附加阻力减小，可使船速提高1 一2 。 因为船在风浪中变速变载航行，船舶的动力状态及其数学模型参数是不断变化的， 所以必须通过在线识别技术来实时辨识变化着的数学模型参数，使控制系统做到 动舵次数少、偏航幅值小。 模型参考自适应【3 j 简称m r a s ( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ) ，这方面研 究工作的代表是是荷兰的j v a n a m e r o n g e n 等人。其基本思想为：定向航向控制采 用间接模型参考自适应方案，改变航向机动航行控制采用直接模型参考自适应控 制方案。其着眼点是自适应控制能直接加到经典反馈控制系统的确定性等价的线 性控制器中，通过调整控制器的一个或几阶参数迫使闭环控制系统的有效响应， 此系统最突出的特点是其所具有的稳定特性。模型参考自适应自动舵的工作原理 是建立在k y a p u n o v 稳定性基础上的，但是由于所涉及的参考模型是固定不变的， 这会带来很多问题，难以很好的应付实时信息，及时做出最佳控制。 上述自适应舵虽然在提高船舶控制精度，减少能源消耗方面取得了一定的成 绩，但其控制方案都是建立在受控对象为线性系统、阶数与时延已知的假设基础 上的。而我们知道实际的船舶操纵过程却随船舶的工作状态( 如载荷、吃水深度、 航速等) 及航行环境( 如航线、水深、风、浪、流等) 的不同而有很大的变化， 是一个模型时变、非线性、大干扰的过程，所以应用传统的自适应控制不可避免 地受到诸如鲁棒性等问题的困扰，从而影响了自适应舵的控制效果。那么要从根 本上解决这些不足之处，必须在传统的自适应控制中引入新的控制技术。目前有 多种复合型控制方案提出，其中应用较多的是将人工智能技术与自适应控制结合 起来而形成的智能自适应控制。 人工智能是一门新兴学科，它运用各种自动机器或智能机器模仿、延伸和扩展 人的功能，实现知识信息的判断、理解、推理、识别、规划、学习和问题求解等 的处理。人工智能的出现和发展促进了自动控制向着智能控制方向发展。 目前，国外已有将智能控制应用与船舶操纵的一些尝试，主要分为模糊控制应 用与神经网络应用两大类。但是基于这两类智能控制的自动舵设计，还只是处在 试验仿真阶段，还有待于进一步进行工程实现的研究。 1 1 2 变结构控制的发展 变结构控制是5 0 年代在苏联产生的一种控制策略 1 ”，它有很多优点，特别是 对系统的参数和干扰不确定项具有很强的鲁棒性，是一种极有前途的控制器综合 方法，因此近年在控制理论研究领域受到高度重视。 设计问题一般分为两个独立步骤：( 1 ) 选择理论的滑动模态超平面s ( x ，f ) = 0 ； ( 2 ) 设计某种控制律将系统的状态驱动到滑动模态上，并将该状态保持在滑动模 态上，使之渐进的趋向系统的平衡点。 1 变结构控制的目的就是设计一个控制律，使之在有限时间f ，内将系统状态从某 初态驱至滑动模态超平面内，即当t f 。后，有s ( x ，f ) = 0 。随后，要求能将系统的 状态一直保持在滑动模态超平面内，即要求系统的滑动模态运动稳定。所以设计 的第一个步骤也可以被成为滑动模态的可达性问题，第二个步骤就是沿滑动模态 运动的稳定性问题。具体分析见第四章 1 1 3 基于模糊逻辑的控制系统的发展 2 0 世纪6 0 年代：模糊理论的萌芽模糊理论是由l o f i f a z a d e h 于1 9 6 5 年创立 的【1 4 】。他认为经典控制理论过分强调精确性反而无法处理复杂的系统，正如他在 1 9 6 2 年的文章中提到的，“在处理生物系统时，需要一种彻底不同的数学一关于模 糊量的数学，该数学不能用概率分布来描述”。后来，他将这些思想正式形成文章 “模糊集合”( f u z z ys e t s ) 。 自模糊理论诞生之曰起，它就一直处于各派的激烈争论之中。这个期间模糊 理论没有成为主流。 2 0 世纪7 0 年代：模糊理论继续发展并出现实际应用。z a d e h 在1 9 7 3 年建立 了研究模糊控制的基础理论，在引入语言变量这一概念的基础上，提出了用模糊 i f - t h e n 规则来量化人类知识。另外在实际生产活动中诞生了处理实际系统的模 糊控制器一模糊水泥窑控制器【1 5 】。 2 0 世纪8 0 年代：模糊理论的大规模应用使其产生巨大飞跃。从理论上讲，2 0 世纪8 0 年代模糊理论上的发展缓慢，但是更多的实际工程应用中使用了模糊理论 还是极大的推动的对于模糊理论的研究。 4 2 0 世纪9 0 年代：模糊理论仍有更多的挑战【1 6 】。从理论上讲，模糊系统与模糊 控制在2 0 世纪九十年代初发展是迅猛的，但仍有大量的工作要做，大多数的方法 和分析仍停留在初级阶段。 1 2 研究课题的提出和本文所作的工作 船舶的操纵控制对船舶航行的经济性和安全性非常关键。随着对船舶航行要 求的不断提高，船舶的自动舵系统已由p i d 舵发展到自适应舵。同时由于g p s 等 新型导航系统的出现，导航精度不断提高，自动舵的控制目标也逐渐发展，并对 精度和可靠性不断提出新的要求。由于船舶的操纵过程是是个非线性、时变、大 干扰的控制过程，传统的控制方法己无法满足要求，自动舵控制中不断引入新的 控制方法如鲁棒控制、变结构控制等，并迸一步向智能操舵系统发展。 作为智能控制的一个分支，基于模糊理论的控制方法自一开始出现就受到了广 大的关注。由于其可利用经验知识、处理非线性能力及自适应、自学习能力等特 点，为自动舵控制的发展提供了新的途径【l 7 o 本文是在分别研究了变结构控制理论和基于模糊逻辑的控制理论在船舶操纵 控应用的现状基础上，并结合目前国内外船舶操纵系统的最新进展进行选题的。 本文针对未来自动化航行系统的发展趋势和要求，对变结构模型参考模糊自适 应控制在船舶航行中的应用进行了研究。作者在本文中主要做了以下几点工作： 1 总结了前人在模型参考自适应控制理论研究及将其应用于船舶航向控制方 面所取得的成果f 1 8 】一【2 钔，结合船舶运动线性数学模型设计了模型参考自适应自动 舵，并对它进行了仿真，作为后面研究和比较的对象。 2 讨论了船舶不确定非线性的自适应模糊控制问题，基于变结构控制原理， 并利用具有线性可调参数的模糊系统去逼近过程未知函数，提出一种具有积分功 能的变结构自适应模糊控制方法，该方法能够保证闭环系统所有信号有界，进一 步通过引入最优逼近误差的自适应补偿项来消除建模误差的影响。而且能使系统 的跟踪误差收敛于零的邻域内。最后把此算法进行了仿真，仿真结果令人满意【2 5 j 。 3 、将算法在不同外界条件，如在风浪干扰时、在不同载运状态下、在不同速 度下进行仿真，仿真结果表明该算法的控制效果显著，并与常规模型参考自适应 算法的控制结果进行了比较，证明了变结构模型参考模糊自适应控制算法的性能 优越于传统模型参考自适应控制算法的性能 4 、为了检验本文提出的船舶航向自动舵的性能，研究了船舶运动数学模型， 以及包括风、浪、流和非线性力作用在船舶上的外界干扰力和力矩的计算模型。 利用m a r l a b 的s i m u l i n k 环境实现了对船舶航向自动舵的大量仿真试验。 第二章船舶运动数学模型 船船运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。船舶的实际运动非常 复杂，数学模型则是实际系统的简化，太复杂和精细的模型可能包含难于估计的 参数，不便于分析；而过于简单的模型又不能描述系统的重要性能。对于船舶控 制来说，建立个复杂程度适宜、精度满足要求的数学模型是至关重要的。本论 文采用较复杂的包括风、浪、流等干扰的非线性船舶运动方程，以期能较真实地 模拟船舶运动的实际情况。 2 1 船舶操纵运动方程 2 1 1 坐标系与运动学变量 船舶的实际运动非常复杂，在一般情况下具有六个自由度 2 6 】。在附体坐标系 内，这种运动包括跟随三个附体坐标轴的移动及围绕三个附体坐标轴的转动，前 者以前迸速度”、横漂速度v 、起伏速度w 来表述；后者以首摇角速度，、横摇角 速度p 及纵摇角速度q 表述。在惯性坐标系内，船舶运动可以用它的三个空间位置 南，z o 和三个姿态角即方位角妒、横倾角妒、纵倾角目来描述。显然这两个 坐标系中的变量之间存在着某种联系，但这并不等于说我们要把六个自由度上的 运动全部加以考虑。对于大多数船舶运动及其控制问题而言，可以忽略起伏运动、 纵摇运动、及横摇运动，而只需讨论前进运动、横漂运动和首摇运动，这样就简 化为只有三个自由度的平面运动问题。本文也是针对三个自由度进行考虑。 如图2 1 所示建立船舶运动坐标系，x o y 为固定于地球表面的惯性坐标系 统，d 为 7 口 起始位置，0 1 指向正北，o y 指向正东；x o y 为原点位于船舶某指定点o 的附体 舶运动速度的分量及转首角速度，舻为航向角，占为舵角( 以右舵为正) 。设、 】，、n 分别为船体上的外力和外力矩，船舶重心g 与附体坐标系中心点o 重合， 。、。分别为船舶重心g 在固定坐标系中的坐标。由图2 - - 1 可以得出两坐标系 f x o = x c o s y s i nr p k = x s i n o + y c o s p ( 2 - - 1 ) 【n 0 = n f 。= u c o s q 一v s i n ；( p 儿o = u s i n f p + v c o s o ( 2 2 ) 旧2 r 在平面运动中转首角速度，为航向角妒的时间导数。 i m ( i t v ，一x g r 2 ) = x 聊( i + “r + x c 2 ：) = y ( 2 - - 3 ) i 乞，+ m ( t + ”r ) = g + 珞x c 其中m 为船舶的质量，为重心距船舶中心的距离( 重心在前为正) ，。为绕z 轴 的转动惯量，工，y ，为总的流体动力和动力矩的分量。上式中第三个方程出现了 巧，砖，其原因是模型试验时测量流体动力矩n 是相对船舶中心进行的，因此需要 将修i e n 相对于重心的力矩故而作该项变动，t ，是船舶中心在坐标系中x 轴坐 标值。 作用于船体上的外力及外力矩，采用m m g 分离建模的思想，将其分为裸体船、 螺旋桨和舵的力和力矩，因为作用在裸船体上的流体动力及力矩按照产生的性质 可分为惯性类和粘性类，则式( 2 - - 3 ) 可以变为： m f f , 一v r x g r 2 、= x | + x h + xp + x t 埘( t + 材厂+ 户) = r + + 耳+ k ( 2 - - 4 ) j 。+ m x z ( f _ ，+ u r ) = n f + n h + n p 十n r 式中，各量下标含义为：j 表示船体惯性项，日表示船体粘性项，p 表示螺旋桨， r 表示舵；对船中修正项屯已记入粘性流体动力矩。 文献口7 1 给出了流体惯性力和力矩分解式为： m = 一 他扣m ，y r - - m v c r x r 刁 r = - b + m x u r + m y 髓x i ( 2 5 ) l ，= 一 厶i + m ，；( v + “，) + ( m ，一) “门 其中，m 。，m y 分别为z ，y 方向上的附加质量，口，为m n 中心的x 坐标值。 假设船舶前后对称，则有d 。“0 。同时假设附体坐标系的原点在船舶中心， 化简式( 2 - - 5 ) ，并代入式( 2 - - 4 ) 得： i ( ，行+ ) 打一( 聊+ m y ) w = 丑0 + 翼尸+ j ( + m ，h + ( 埘+ 肌；) “，= + 耳+ 坛 ( 2 6 ) u j 。+ j ：= n h + n r 七n r 求取船舶的附加质量及附加惯性矩m 。、m ，j ，：的方法有理论方法和实验方法 之分。前者主要有基于椭圆回转体的修正计算法、切片法，后者主要有震荡试验 法、冲击试验法和平面运动机构试验法。周昭明对元良诚图谱进行了多元回归分 析，得出估算公式，见文献2 8 j ； 对于描述粘性类流体动力的模型较多，也较成熟，其中最著名的有井上模型和 贵岛模型，本文不再详细论述。 2 1 3 螺旋桨及主机特性计算模型 一、螺旋桨产生的流体动力模型 在m m g 模型中螺旋桨流体动力模型为： xp = ( 1 - t e ) p n l d 4 p k 。q 0 耳=0(2-7) 【n e 2 0 上式中耳= n p = 0 ，主要原因是巧与船体横向力和舵的横向力相比是个小量。 m m g 模型将耳和，归在裸体船流体动力模型中。 推力系数( 以，) 可由下式计算： 弓( 山) = + 口。以+ a 2 形( 2 - - 8 ) 其中，口，i = 0 ，1 ，2 由对应的桨参数查螺旋桨的流体动力性能图谱，然后再进行回归 求得。进速系数j 。为： 以= ( 1 一w e ) u n d v( 2 9 ) 其中 w ，2w e 。e x p ( - 4 o 厉( 2 - - 1 0 ) l ，= 卢一r ，“一0 5 关于桨的减额系数0 和伴流系数。的实用估计方法见文献2 7 1 二、主机特性计算模型 为了满足船舶操纵实时仿真的需要，必须要考虑主机特性，一般主机特性的计 1 0 算模型取下列形式： 2 万( + t ) 卉2 q e g q ， ( 2 - - 1 1 ) 其中珂为主机转速( 转秒) ；g 为螺旋桨吸收的转矩，计算方法见文献 2 7 】绕为 主机发出的转矩，由主机的外特性决定；q ，为轴系模型消耗的转矩，一般取 ( o 0 2 口o 0 4 ) g ；o ，分为螺旋桨与轴系的转动惯量和附加转动惯量。 2 1 4 舵力及舵级特性计算模型 一、舵力计算模型 舵力的计算模型如下： i 以= ( 1 一靠) 目s i n 6 珞= ( 1 + o r h ) 目c o s 5( 2 1 2 ) 【 k = ( h + 口) 目c o s 3 其中，舵正压力为： 目= 一寺p a x o v ；s i n t z 。( 2 - 1 3 ) 上式中哪= v 2 ( 1 一) 2 1 + c g ( s ) ) ，g ( s ) = r k 2 一( 2 一k ) s s ( 1 一s ) 2 ， s 2 1 - ( 1 一w p ) u n p ，叩= 喀，月j ，k = 0 6 ( 1 一w p ) “1 1 ) ，w r = 1 o w e w p o ， 乖m 确咿z 坛一蝶训- 5 c = 篡拦。 二、舵角特性计算模型 通常舵机特性用下列模型表示 砭占= 占，一艿( 2 1 4 ) 其中，磊为命令舵角；瓦为舵机时间常数，一般约为2 5 s e c ；还应满足限制条件 吲3 5 。，l d i _ 0 ，自左舷吹来时 o ， 故的变化范围为( 一1 8 0 。一1 8 0 。) 。相对风速与船速、绝对风速的关系可用下列表 示 i u rc o s 口r = c o s ( a r p ) + y c o s s i n o r 月= u rs i n ( a r y ) + v s i n ( 2 - - 1 5 ) i 哦= 诉+ 矿2 十2 u r v g o s ( 口r 一) 其中，芦为船舶的漂角。 二、作用于船体上的风压力和力矩计算 作用于船体的风压力和力矩可看作是平均风压力和变动风压力两种成分的叠 加，表示成投影分量的关系为： x 。? d = x 。d + x 。0 ， 匕m = 匕+ 匕。( 2 1 6 ) n 。? 日= m w t i d + n 。j d 其中，“一”代表平均风压力，“”代表变动风压力。 平均风压力和力矩可以用下式计算： 豆，“= i p 。a j ，u ：( 毛( 口。) 瓦。= j 1 成4 u ；c 。， 。) ( 2 - - 1 7 ) 矾。= 委见4 瓦明q 。( ) 其中，成为空气密度；4 ，为船舶水线上的正投影面积；a 为水线上的侧投影面积； k 为船舶的总长；c 。( 口。) 、e ，( ) 、c 。( 口。) 分别为x ，y 方向上的风压力系数 及绕z 轴的风压力矩系数。通常c 。( 口。) 、c w ，( ) 、巴。 。) 是由风洞试验来确定， 但对所研究的每艘船都进行风洞试验是不切合实际的，人们在进行大量的风洞试 验的基础上，已给出了c 。( 口。) 、g ， 。) 、巴。( ) 近似估计方法。 对于变动风压力目前有两种计算方法，一种是由变动风压力的功率谱密度生 成的方法；另一种是a s t r o m t 3 1 1 与k a l l s t r o m 3 2 提出的将风速变动由白噪声来实现的 方法。 2 2 2 波浪干扰力数学模型 波浪干扰力是各种干扰力中最复杂的一种。波浪干扰力一般分为两种，一种是 一阶波浪干扰力，也称高频波浪干扰力，这是在假设波浪为微幅波，引起船舶的 摇荡不大的情况下，船舶受到与波高成线性关系并且与波浪同频率的波浪力：另 一种是二阶波浪力，也成波浪漂移力，该波浪力与波高的平方成比例。由于第二 种波浪币扰力，即波浪漂移力，处理上比较困难，目前尚无可靠的计算方法，所 以本文主要讨论一阶波浪力的计算方案。 在具体求波浪的干扰力和力矩时，需要详细的船舶结构数据资料，特别是型线 图，然后进行数值积分，计算比较复杂。为此在确保一定精度的前提下，给出简 单的计算方法是十分必要的。假设船舶为毪箱形船，即外形为正六面体，吃水d ( x 1 和船宽b ( x ) 不随z 变化，截面面积a ( x ) 也将为常数。经过计算得到下列简单公式： 爿一= z 柏警竽即， k q 以型竽啪( 2 - - 1 8 ) 钏吐b 2s i n b 竽一l ：s i n c 字弘 其中 ， 口= p g ( 1 - e 一“) k 2b = k l 2 c o s z ，c = k b 2 s i n 2 ，s ( r ) = ( k h 2 ) s i n ( c o t ) ， 毒( ，) = ( h 2 ) c o s ( c o e t ) ，h 为波高a 为了利用式( 2 4 0 ) 确定波浪干扰力和力矩时，首先要知道波高 和频率国或波 浪周期，这两者都和风速珥有密切联系，基于p r i c e 和b i s h o p 的数据，给出了 两个近似的回归公式h 4 1 | h = 0 0 1 ，2 + 1 5 v v i j v t 1 易：一o 0 0 1 4 珥+ o 0 4 2 诉+ 5 6 ( 2 - - 1 9 ) 其中，h 的单位必m ；瑶的单位为s e c ；u r 的单位为m s e e 。 2 2 3 流的干扰力数学模型 在仿真时，对流的处理通常通常假定流是恒定并且均匀，即流速和流向不随 时间和空间点的位置而变化，流只改变船舶运动的位置和速度，而不改变船舶的 航向。如图2 - - 3 所示，k 为流速，虬为流向，即流的去向。流速矿。为附体坐标 轴上的分量，有下列方程： “c 2 k。08(虬一矿)(2-20) i k = ks i n ( 虬一y ) j弋谢 多形 a 图2 - 3 流的干扰 设船舶运动对地速度在附体坐标轴上的分量为“、v ，船舶运动相对于水的速 度分量为“，、u ，显然t y 0 关系成立： f 甜= “，+ “r ”v ，+ 心( 2 2 1 ) 学i 其中，r 为首摇角速度，且有沙= ，。 将式( 2 - - 2 1 ) 代入船舶平面运动基本方程式( 2 - - 3 ) 中，可得 f m ( i ，一v r y x g r 2 ) = x 埘( 也+ u r ，+ x c , k ) = y ( 2 - - 2 2 ) i 乞i + 慨( t + 蚱r ) = 6 + 比较式( 2 - - 3 ) 和式( 2 - - 2 2 ) 可知，流对速度方程和操纵方程没有影响；流对船 舶位置有直接的影响，在流的作用下，船舶位置方程为： j 主2 甜0 0 8 吵一”8 i n y + 屹。0 8 妒c ( 2 - - 2 3 ) l 夕= u s i n v + v c o s v + 砭s i n v , 2 3 船舶航向控制系统数学模型 在船舶航向自动舵设计中，由于闭环反馈的控制作用使船舶运动的变化在平衡 状态附近，此时船舶漂角较小，作用于船舶上的流体力为线性的，因此船舶操纵 运动数学模型可以适当简化。 2 3 1 航向控制系统数学模型的建立 由第节可知，将船运动坐标系原点置于船舶重心，且不考虑外界干扰时，船 舶操纵运动数学模型为： f ( m + r e x ) i , 一( m + m y ) y r = x + 爿p + 爿月 ( m + ，”。) 口+ ( m + m x ) “r = + 耳+ k ( 2 - - 2 4 ) u 。+ j j = n h + np + n r 进行航向控制时，通常船舶的漂角较小，可将上式简化为下列方程： i ( 珊+ ) 矗= 置a u ( m + m ，) 廿+ ( m + 豫) “o ，= e v + i r + e 占( 2 - - 2 5 ) ( i 。+ j 。 = n + n r + n5 6 设船舶受外界小扰动时，纵向速度不变，则式( 2 2 5 ) 中的第一式可以除去， 其余两式改写为 j ( 所+ p 2 誓”+ ( 一( m + m x ) u o ) r + 瓦6 ( 2 - - 2 6 ) i ( 乞+ 屯) i = 玑v + r r + 虬d 为使问题简化，假设初始状态为匀速直线运动，则所有运动变量具有零初值 a u ( o ) = u ( o ) = r ( o ) = t ( o ) = ，( 0 ) = a ( o ) = a ( o ) = 0 方程( 2 - - 2 6 ) 经拉普拉斯变换后，可解得舵角占到航向妒的传递函数为 日f s l ：盟：丝! ! 圣生( 2 2 7 ) 8 ( s ) s o + 五j ) ( 1 + e s ) 将式( 2 2 7 ) 写成时域方程为 五正+ ( 五+ 互) + = k ( a + 五占)( 2 2 8 ) 其中，墨t=尘兰二竺掣；正+正=了-(m+my)n-(i=+j=)yv k：必；巧：尝；c：e，一m(r一(m+mx)。cn v k 一虬k ”。7 船舶运动时呈现非常大的惯性，并且操舵机构的能量有限，能提供的舵叶运动 速度通常低于3 。s e e ，因之船舶运动具有低频特征。传递函数( 2 2 7 ) 在低频下 可降价为一阶模型 争 耶) = 鬻m 莉k ( 2 2 9 ) 其中，k 与式( 2 - - 2 7 ) 中的相同，r t = 五十正一正。相应地，二阶转首响应方程 ( 2 2 8 ) 也可近似简化为一阶转首响应方程，即 t o + 西= k 6( 2 3 0 ) 式( 2 3 0 ) 称为一阶响应模型，也称为野本( n o r m o t o ) 方程，因为它最早是由 野本从简单力学考虑得出地。 当船舶直线运动是不稳定或临界稳定时，船舶运动呈现非线性，简单可以将式 ( 2 3 0 ) 推广写成下列形式地非线性方程为 丁庐+ 驴+ a 驴3 = 世石( 2 3 1 ) 此式为船舶航向控制自动舵设计中常用的模型。 2 3 2 外界干扰下的船舶航向控制系统数学模型 船舶在航行中，将受到风、浪、流等外界干扰的作用，通常认为流只对船舶运 动的位置产生影响，而在进行航向控制时，流可以不考虑，考虑风和浪作用时， 式( 2 3 0 ) 可表示为 t a - i - 驴= k 巧+ 兀+ 后( 2 - - 3 2 ) 其中，l 是风的影响项，厶是浪的影响项。 风的影响项在文献 2 9 ，3 0 】中可得到： 厶= 丛p 生l d ( 揣 ( 等 2 。4 一 i 一：蟛+ 誓；j lyj ( 2 3 3 ) 其中，成为空气密度：a f 为船舶水线上的正投影面积；4 为水线上的侧投影面积 三为船舶的总长；c x a 、c 。、分别为x ，方向上的风压力系数及绕z 轴的风 压力矩系数。 浪的影响项为 其中 厶= 去2 vd 【塑号苏产弦a ， 伽一2 l一”巧+ 删；广 卜“ c r 。2 9 ( ! - 肝e 一g ( 1 - 。e - “) l b r 2 - s i n a 竽“n c 丁b - c o s b - s i n b 口= p g ( 1 一e 一“) k 2b = k l 2 c o s z ，c = k b 2 s i n z ，d 为吃水，k 为波数，魄为遭 遇频率。 第三章船舶航向模型参考自适应自动舵设计 3 1 模型参考自适应控制基本理论 模型参考自适应控制系统( m a r c s ) 是通过在基本调节回路中，用调节器参 数的匹配使系统得到一个事先确定的模型特性，它可以处理缓慢变化的不确定性 对象的控制问题。其基本控制思想是：利用可调系统的各种信息，度量或测出某 种性能指标，把它与参考模型的性能指标相比较，然后用所得的偏差( 广义误差) 通过自适应机理产生自适应律来调节系统，以削弱可调系统因“不确定性”所造 成的性能指标偏差，当可调系统的特性与期望的参考模型特性渐近一致时，广义 误差趋于极小值或者下降为零，调节过程结束，最后达到使被控对象获得较好的 性能指标的目的。因此，模型参考自适应控制系统的工作过程可以看成是期望的 参考模型与实际系统响应之间误差的调整过程。 3 1 1 模型参考自适应控制的发展 1 9 5 8 年麻省理工学院的w h i t a k 一3 3 1 等人提出m i t 条件规律。m i t 方案的基本 原理是：构造个性能指标j = fe 2 ( f ) d ( f ) ，其中e ( f ) 为参考模型和对象模型输出 1 之差。利用梯度法，通过条件控制器参数使该性能指标达到最小。所谓梯度法是 指让对象模型参数沿着性能指标梯度下降的方向移动，不断减小j 直至最小。 1 9 6 6 年p a r k s 【1 提出利用l y a p u n o v 函数表决定自适应参数调节率的新方法。 鉴于m i t 调节率对闭环系统缺乏稳定性，陔方法以l y a p u n o v 稳定性理论为准则， 对失稳的m i t 模型参考自适应系统进行再设计。其基本原理是：构造一含l x a p u n o v 函数v ( e ，其中为参考模型和对象模型状态之差，为可调参数，选择参数 调节率西，使得v ( e ，o ，砂) 0 。该方法主要有对象参数直接调节和不可直接调节两 种设计方案。按该方法设计的参数调节率需要获得系统的全状态信号，或者系统 输出的微分，这限制了该方案在实际中的应用。 1 9 7 4 年m o n c p o l i 利用广义误差的概念来构造自适应控制系统。在设计中，利 用l y a p u n o v 稳定性理论和正实动态系统的特性，不仅保证了系统的稳定性，而且 不需要输出量的微分信号。但是该设计方法的稳定性只对相对阶为l 的系统才有 效。 1 9 8 0 年以n a r e n d r a 为代表的学者提出仅利用输入输出测量值的模型参数自适 应控制方案，从而使m r a c 的应用范围得到很大的扩展。这一时期还有l a n d a u 提出的以超稳定性为基础的模型参考自适应控制方法，其基本原理是：将系统分 解为前馈通道的线性定常系统和反馈通道的非线性时变系统。在保证前馈系统正 实的条件下，通过求解反馈通道的波波炎积分不等式，获得自适应参数调节率。 由于该方法设计规范，易实现，在实际中也得到广泛的应用。 但是传统模型参考自适应算法虽然最终能够跟踪给定的参考信号，但跟踪速 度较慢，初始跟踪误差较大，而且船舶受外界环境影响比较大，所以此种自适应 控制不可避免地