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滑模变结构控制技术在舰船自动舵中的应用研究
资讯类型:技术资料 加入时间:2009年8月3日10:29
 
滑模变结构控制技术在舰船自动舵中的应用研究
   陈瑜汪宏伟谢国善
   (海军驻719所军事代表室武汉430064)
   摘要:本文介绍了船舶自动操舵仪的发展历程和滑变结构控制技术的特点,论述了舰船航向变结构控制的意义,对未来自动操舵仪的发展趋势进行了展望。
   关键词:舰船航向变结构控制自动操舵仪
   中图分类号:TP13文献标识码:A文章编号:1003-4862(2008)06-0351-03
   舰船操纵性能的好坏对其战斗力有很大影响。船舶自动操舵仪,俗称“自动舵”,是根据指令信号自动完成操纵舵机的装置,是一个重要的舰船控制设备。它能代替舵手操舵,保证船舶在指令航向或给定航迹上航行。自动操舵仪不仅可以减轻舵手的劳动,且在远航时,在相同的航行条件下,可减少偏航次数,减小偏航值和偏舵角,因而可提高实际航速,缩短航程的航行时间,节省燃料,提高航行的经济效益。军事上,在某些场合自动操舵仪也是不可缺少的,例如,遥控靶艇就是依靠遥控自动操舵仪来驾驶的。随着对舰船操纵性能要求的不断提高,对自动舵及其控制方法也提出了新的要求,从采用传统的控制手段进一步发展成为将控制理论与计算机技术的最新研究成果引入到自动舵的控制中,并不断研制与开发新型的自动舵。目前自动舵的控制方法可分为PID控制,自适应控制及智能控制等几种。
   1船舶自动舵的发展状况
   自动舵的产生要追溯到上世纪20年代,美国的Sperry和德国的Anschuz分别独立研制出了机械式的自动舵。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。
   这种机械式的自动舵被称为第一代自动舵。
   到了上世纪50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且在工业生产中最常用的一种是比例一积分一微分(PID)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PID自动舵。因它具有结构简单、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”,故当时得到了广泛认可。
   虽然PID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,PID自动舵固有的不足渐渐显露出来了,PID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PID自动舵很难适应,驾驶员也难以随着航向情况的变化对PID参数进行适当的调整。这种情况带来的后果就是航向精度降低,对船舶的能源损耗较大。随着大吨位船舶的出现,PID自动舵己经不能适应操船的需要。为了保证船舶安全,提高航行经济性,这时候迫切需要一种新的航向自动舵来代替PID自动舵,那么直到70年代末期自适应控制理论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50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70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,在克服了PID自动舵的很多缺陷的同时还拥有很多新的优点。自70年代开始到现在,自适应自动舵的研制已经进入成熟阶段。
   自适应控制理论用于船舶操纵的20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。
   简单自适应控制不需要知道很精确的被控对象数学模型,控制律仍然采用PID形式,按输入一输出方法度量其性能指标,再根据此去改变控制器的某些参数,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PID自动舵相比,己经有了长足的进步。一些厂商如美国的IBM生产的航海船桥操纵系统,瑞典ABAERO TELEN公司的ASAPE型舵,美国IONTRONS公司DIGIPLOT舵,美国SPEERY公司的通用自适应操舵仪,都是采用此原理。
   70年代中期,瑞典的K.J.Astrom等人研究了基于自校正控制的自适应操舵仪,并于1974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正常运转,并由于附加阻力减小,可使船速提高1%~2%。由于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。
   模型参考自适应控制简称“MRASC”,这方面研究工作的代表是是荷兰的J.Van Amerongen等人。其基本思想为:定向航行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个参数迫使闭环控制系统有效响应,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李亚普洛夫稳定性基础上的,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、阶数与时延己知的假设基础上的。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。
   2滑模变结构控制技术概述
   变结构控制(VSC),又称为滑动模态控制,是一种控制系统的综合方法,是一种比较容易实现,容易被广大科技工作者所接受。滑模变结构控制适用的系统和控制任务的范围非常广,这是任何其它方法所不能比拟的。它适用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、同步与时滞系统、集中控制与分散控制系统等。它适用的控制任务有镇定、运动跟踪、模型跟踪等,目前已经被应用于很多工程领域。滑模变结构控制产生于20世纪50年代末,这种控制理论能为不确定性对象提供一种强有力的确定性控制系统的设计方法和结构十分简单的控制器,且保证控制系统具有很强的鲁棒性和适应性。七十年代初,Utkin VI和Itkis U等人进一步发展并奠定了变结构控制的理论基础。七十年代末,这种控制方法传入欧美,因其独特的特点和优点而引起西方学者的广泛重视。他们从不同角度、运用各种数学手段对变结构控制系统进行了深入的研究,使其设计思想得到极大发展,理论基础逐渐丰富和完善,并在短短的十几年时间里逐步形成了一个相对独立的研究分支,发展成为系统化的研究理论[1]。变结构控制的基本原理是:根据系统状态和某些预先确定的超平面(滑模流形)之间的关系来改变系统控制结构,当系统(受控对象)状态穿越系统状态空间的预先设定的切换超平面时,控制系统从一个结构自动转向另外一个确定的结构,以保证系统状态变量达到并约束在给定的滑模流形上,并使之自始至终沿着滑模流形滑行至系统状态空间的平衡点,从而使系统性能达到某个期望的指标。
   滑模变结构控制器的设计一般分为两个步骤[2]:1)选择理想的滑动模态超平面;2)设计某种VSC控制律将系统的状态驱动到超平面,使之始终保持在该滑动模态上,并最终渐近地趋向系统的平衡点。
   经过40余年的发展,变结构控制理论已逐步发展成熟,这主要表现在:(1)从理论上确定了复杂系统的变结构控制设计方法;(2)完全阐明了滑模控制对系统参数摄动以及外干扰所具有的鲁棒特性。80年代后,随着计算机技术的高速发展以及快速切换电路的产生,使得滑模变结构控制的实现变得容易。正是由于变结构控制系统的强鲁棒性以及其结构的简易性,使其已成为当代非线性鲁棒控制的代表,并在实际控制工程中得到广泛应用。该理论于20世纪80年代中期在我国引起重视,如今,已形成了一种热门的学科体系。
   3  舰船航向自动舵变结构控制的意义
   随时代的需求,舰船航向定向航行的控制精度、变向航行的机动性要求越来越高。舰船自动舵的航向操纵控制有两种基本方式:改变航向和保持航向。这两种航向操纵的目的与要求不一样:航向改变过程中要求的是机动性和安全条件下的转向快速性;航向保持过程中要求的是满足要求的航向精确性及续航性(或等价的节省能耗问题)。原理上讲,这两种航向操纵的控制应分开考虑,分别设计满足不同要求的航向控制器。当然,利用自组织控制技术或智能控制技术可将同一系统的多个分时控制器结合成一个综合控制器。因此,根据舰船航向控制的自身特点,研制更适合舰船航向控制的自动舵,显得有特别重要的意义。
   舰船航向控制系统的数学模型具有明显的不确定性。虽然自适应控制在解决不确定性方面取得了许多成功的应用,但从理论上来说,它较适用于缓变或定常干扰下的控制问题,且大多数成熟的自适应控制方法仅对线性系统有效。另外,自适应控制系统在其适应和调整过程中会表现出不希望的行为,有时甚至使整个系统失去稳定,它所允诺的强鲁棒性受到了严峻的挑战。与之相比,变结构控制则表现出更强的优势:(1)可以适用于突变干扰下的控制;(2)可以直接对非线性系统进行控制设计;(3)其鲁棒性更强。
   所有这些优点无疑使变结构控制更适合于船舶航向控制器的设计。针对船舶操纵的非线性、大滞后、大惯性特性,以及航行条件的变化、环境参数的严重干扰和测量的不精确性,将滑模控制方法引入到船舶航向舵控制中,可以充分利用滑模控制鲁棒性强的优点,有效地解决船舶自动舵设计中所遇到的未建模动态和干扰影响等问题。关于变结构控制理论在舰船航向控制中的应用方面,已经开始引起各国学者的重视。
   4  结束语
   我国六十年代开始自动舵的研究,七十年代初在新船上普遍安装了国产自动舵。我国现役大中型舰船上安装的自动操舵仪大部分相当于国外七十年代的产品,采用PID控制。从八十年代开始,我国有许多高校和研究机构开展了对自适应舵的研究工作,发表了一些方案设计和仿真研究结果,并研制成了一些试用产品,取得了一定成果。但由于起步较晚,与国外的差距仍然较大,在自动操舵仪的数字化方面所做工作还不够。尽管到目前为止,还没有滑模自动舵产品出现,但国内外关于滑模变结构控制技术的研究从来没有中止过,并且现在工业上也相继出现了一些运用滑模控制的相关产品,所以可以预测,滑模变结构控制技术定会出现在将来的舰船自动舵产品之中。
   参考文献:
   [1]姚琼荟,黄继起,吴汉松.变结构控制系统[M].重庆:重庆大学出版社,1997.
   [2]高为炳.变结构控制的理论及设计方法[M].北京:科学出版社,1998.

文章来自:滑模技术交流网
文章作者:信息部
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