船舶路徑跟蹤與減橫搖綜合控制研究.pdf

1、船舶是海洋運輸?shù)闹匾d體，在執(zhí)行海上運輸任務(wù)時，有效地控制船舶運動可以減輕舵手的工作強度，縮短航行距離，節(jié)省燃料，以及保證航行安全。因此船舶運動控制對高效、安全地完成運輸任務(wù)具有重要的意義。
　　船舶運動本身具有大慣性、大時滯和強耦合性的特點；而且，船舶運動數(shù)學(xué)模型會隨著航行狀態(tài)（航速、航向等）和外界環(huán)境（風(fēng)、浪和流等）條件的變化而變化。這些特點使得船舶運動控制成為一個強非線性、不確定性、受約束限制的控制問題。因此，研究船舶運動控

2、制具有重要的理論意義。另外，從控制目標的角度分類，船舶航向控制、路徑跟蹤控制屬于船舶低頻運動控制，而減橫搖控制屬于船舶高頻運動控制。在以往的研究中，絕大多數(shù)學(xué)者都將船舶路徑跟蹤與減橫搖控制作為兩個單獨的控制問題分開研究。而實際上，當(dāng)船舶在波浪中航行時，船舶艏揺運動與橫搖運動是同時發(fā)生、相互影響的。因此，綜合研究船舶路徑跟蹤與減橫搖的控制方法具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本學(xué)位論文的研究工作主要包括四部分內(nèi)容：船舶航向控制，船舶路徑跟蹤

3、控制，基于舵的船舶路徑跟蹤與減橫搖控制，以及基于舵、鰭聯(lián)合的船舶路徑跟蹤與減橫搖控制。除了船舶運動控制的共性特點，不同的運動控制問題也有其個性特點。根據(jù)不同的運動控制問題的特性，本論文采用了不同的控制理論方法。
　　論文的第一部分內(nèi)容（第3章）是船舶航向控制研究，包括航向保持和轉(zhuǎn)向控制?？刂戚斎霝槎娼?，控制輸出為船舶艏向，是一個單輸入單輸出（SISO：Single Input Single Output）的控制問題。相對于本論文研

4、究的其他船舶運動控制問題，船舶航向控制相對比較簡單，很多學(xué)者都為船舶航向控制研究做出了貢獻，而本論文以此為對象開展研究的原因有以下兩點：（1）因為船舶航向控制相對簡單，所以多種經(jīng)典控制方法可以直接應(yīng)用，本文將船舶航向控制作為一個實例，說明了多種經(jīng)典控制方法的設(shè)計、應(yīng)用過程；（2）在以往的航向控制研究中，大多數(shù)學(xué)者都是針對一種方法，驗證其有效性，并沒有在同一仿真環(huán)境中對采用多種不同控制方法所設(shè)計的控制律進行仿真、對比，而本論文分別采用多種

5、經(jīng)典的控制方法設(shè)計了不同的控制律，并對多種控制律的控制效果進行了綜合的對比、分析，說明了不同方法的優(yōu)劣，據(jù)此可以了解不同控制方法的特點，為之后研究其他三個相對復(fù)雜的問題做理論準備。在這一部分的研究中，本論文首先建立了簡化的船舶航向控制器設(shè)計模型，基于此模型，分別應(yīng)用滑模(SM:Sliding Mode)方法、綜合后推(Backstepping)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN: Neural Network)方法(Ne-backstepping)以及模

6、型預(yù)測控制(MPC: Model Predictive Control)方法設(shè)計了船舶航向控制律，給出了控制律的設(shè)計、推導(dǎo)過程。比例-積分-微分(PID:Proportion Integration Differentiation)方法依然是當(dāng)前實踐中最常用的方法，因此在此部分中將應(yīng)用PID方法設(shè)計的控制律的控制效果作為基準（benchmark）效果；此外，因為MPC方法與LQR（Linear Quadratic Regulation）

7、都屬于優(yōu)化控制方法，為了說明 MPC的優(yōu)勢，本論文也應(yīng)用LQR方法設(shè)計了控制律。利用一個高精度的4自由度(DoF:Degrees of Freedom)模型作為仿真模型，分別在有、無外界干擾的情況下，對上述5種控制律(SM，Ne-backstepping，MPC，PID，LQR)進行了對比仿真，給出了仿真結(jié)果，對不同控制律的參數(shù)進行了分析，驗證了所設(shè)計的5種控制律的有效性，通過對仿真結(jié)果的比較，說明了不同控制方法的優(yōu)、缺點。
　　

8、論文的第二部分內(nèi)容（第4章）是船舶路徑跟蹤控制研究，包括直線路徑跟蹤與曲線路徑跟蹤。對于常規(guī)的水面船舶來說，船舶路徑跟蹤的控制輸入為舵角與主機轉(zhuǎn)速，控制輸出為船舶縱向位移、橫向位移與船舶艏向角。明顯地，船舶路徑跟蹤的控制輸入維數(shù)小于控制輸出的維數(shù)，因此船舶路徑跟蹤控制是具有欠驅(qū)動特性的2輸入3輸出控制問題。船舶路徑跟蹤的欠驅(qū)動特性限制了很多經(jīng)典控制方法的直接應(yīng)用，因此本論文首先將Serret-Frenet框架與視線(LOS:Line o

9、f Sight)方法結(jié)合，將船舶路徑跟蹤的控制目標轉(zhuǎn)化為跟蹤誤差與跟蹤“視線角”誤差，得到一個簡化的船舶路徑跟蹤控制器設(shè)計模型，克服了欠驅(qū)動特性對多種經(jīng)典控制方法的限制，同時也提高了單純 LOS方法的魯棒性?；诖丝刂破髟O(shè)計模型，本論文分別采用狀態(tài)反饋滑模方法及綜合后推與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計了2種控制律，給出了設(shè)計過程，并采用一個高精度的4-DoF模型作為仿真模型，分別在有、無外界干擾的情況下對這2種控制律進行了仿真，同時，對 PID方法設(shè)

10、計的控制律也進行了仿真并將其結(jié)果作為比較的基準，通過對仿真結(jié)果進行綜合的對比、分析，說明了不同控制律的優(yōu)、缺點。
　　論文的第三部分內(nèi)容（第5章）是基于舵的船舶路徑跟蹤與減橫搖控制研究，即利用舵同時進行船舶路徑跟蹤與減橫搖控制。路徑跟蹤控制包括直線路徑跟蹤與曲線路徑跟蹤；減橫搖控制包括減少橫搖角與減少橫搖角速度。綜合本論文第二部分的工作，基于舵的船舶路徑跟蹤與減橫搖的控制輸出可以轉(zhuǎn)化為跟蹤誤差、跟蹤“視線角”誤差、橫搖角以及橫搖角

11、速度；因為船舶縱向運動可以從其他自由度的運動中解耦，所以本論文假設(shè)船舶主機轉(zhuǎn)速不變，控制輸入簡化為舵（舵角的幅度和角速度受到約束限制）；而且船舶路徑跟蹤與減橫搖的控制目標是相互影響、相互作用的。綜上，基于舵的船舶路徑跟蹤與減橫搖控制是一個受到約束限制的、欠驅(qū)動的單輸入4輸出的多目標優(yōu)化控制問題。模型預(yù)測控制方法可以將多個控制目標放入同一個代價方程，通過優(yōu)化算法計算最優(yōu)的控制決策，不受欠驅(qū)動特性以及多目標等問題的限制；同時，該方法可以解決

12、輸入、輸出限制問題，所以該方法對解決本章中的控制問題具有其他方法不可替代的優(yōu)勢。本論文采用模型預(yù)測控制方法為基于舵的船舶路徑跟蹤與減橫搖控制問題設(shè)計了控制律，并利用一個高精度的4-DoF模型作為仿真模型進行仿真，仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計的控制律可以同時實現(xiàn)路徑跟蹤與減橫搖的控制目標；同時，通過對不同控制參數(shù)的控制效果進行分析，給出了控制參數(shù)的調(diào)整依據(jù)。
　　論文的第四部分內(nèi)容（第6章）是基于舵、鰭聯(lián)合的船舶路徑跟蹤與減橫搖控制研究，即

13、利用舵和鰭協(xié)同實現(xiàn)船舶路徑跟蹤與減橫搖控制，控制輸出與第三部分相同，但是控制輸入由只有舵變?yōu)橥瑫r有舵和鰭。本論文為這個控制問題提出了三種解決方案：（1）分離式方案，即舵只用來控制船舶路徑跟蹤，而鰭只用來減橫搖，這種方案完全不考慮船舶路徑跟蹤與減橫搖之間的相互作用，也不考慮舵、鰭之間的配合，這種方案是當(dāng)前工程實踐中最常見的方案，本論文將這種方案作為基準方案；（2）整體式方案，即舵、鰭協(xié)同，同時控制船舶路徑跟蹤與減橫搖；（3）半分離式方案，

14、即舵用來控制船舶路徑跟蹤與減橫搖，而鰭只用來控制減橫搖。方案（1）包括兩種控制策略，其一是基于PID方法設(shè)計的舵、鰭控制律；另外一種是基于綜合后推與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計的舵控制律與綜合滑模與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計的鰭控制律。方案（2）是采用模型預(yù)測控制方法綜合設(shè)計的舵、鰭控制律。方案（3）舵控制律都是基于模型預(yù)測控制方法設(shè)計的，而鰭控制律的設(shè)計采用兩種策略，其一是采用滑模方法，其二是采用綜合滑模與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法（Ne-sliding mode）。論