大连海事大学硕士学位论文
船舶自适应舵的一种算法研究
姓名：徐健平申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：谭跃
201206
中文摘要摘要船舶航向自动控制是船舶操纵性能的一个重要指标，与其航行的安全性，经济性息息相关．随着我国航运日益增长的需求，人们对船舶航向自动控制的要求也越来越高。本文着力于研究一款实用化的船舶自适应舵，采用模型参考自适应和最优控制理论设计一种控制算法，并对舵机控制系统进行了仿真。课题采用一阶野本船舶模型方程，基于最优控制理论，设计最优ＰＤ船舶航向控制器。选择的性能指标协调了航向准确性和能量损耗之间的矛盾，并可以根据海况调节其中的参数，对天气变化具有一定的适应能力。根据模型参考自适应理论，将卡尔曼滤波算法应用于船舶模型参数的自适应辨识中，并根据船速的变化对参数进行补偿，提高参数辨识的准确度。并采用一阶低通滤波器和卡尔曼滤波器滤除舵角和航向信号中的海浪高频干扰。本方案具有快速，准确，节能，安全，适应性强等优点。航向保持自动舵的实现，为间接式航线保持和综合驾驶台控制系统提供了一种有效的解决方案。关键词：自适应舵；航向保持；船舶模型；参数辨识；卡尔曼滤波英文摘要ＡＢＳＴＲＡＣＴ１ｋ绷胁ｍ硝ｃ∞Ｉｌ缸Ｄｌｏｆｎ地枷ｐｈ蚀ｄｉｎｇｉｓ缸ｉｍｐ０ｎａＩｌ＿ｔｉｎｄｉｃａｔＩｏｒｏｆｓｈｉｐｍ舡旧唧惯ｉｎｇｐｅ赶．０加柏ｎｏ岛缸ｄｉｔｉｓｃ１０ｓｃｌｙ他ｌａ自ｏｄｗｉｔｈ意ｈｉｐ珊Ｉｖｉｇ蛳ｏｎ鞠触ｙｃ（黼融ｌｔ‘删ｃ∞删ａｎｄ戗删∞蜘莎Ｗｉｔｈ玳ｉｎ渊ｉｎ哲ｙｔｈｅ伊叭ｖｉｎｇｄｌ组煅ｎｄｏｆＣｌｌｉｎａ．３蛳ｐｌ，ｉＩ强ｓｈｉｐｌＩｉｇｈ心ｑｕｉ粥ｍ锄ｔｓ．Ｔｈｊｓｔｌｌ锶ｉｓｆｂｃ啮ｉＩｌｇｏｎａｐｍｃ６ｃａｌｓ＿ｈｉｐ鲥却６Ｖｅ础咂ｌｏｔａｐｐｌｉ骼也ｅ姗ｄｅｌ耐孤嗽ａｄａｐｔｉｖｅ哪ｔ锨觚ｄ叩ｔｉｌＩｌａｌ似删ｔ妇珂协ｄｅｓｉ印ａｃｏ咖ｌａｌ即晡ｔｈｍ＇孤ｄｓｉＩｌ瑚１ａｔｅｓｔｃ醯ｌｇ就四．ｍｅ８ｅｎｒ０ｂ勰ｅｄ姐恤ａＩ∞ｌＩｔ∞ｌｃｏｍｒｏｌｓｙｓｔ锄．１ｋｓｕｂｊｅ吐ｄ商驴ｓｓ】Ｉｌｉｐ００ｕ墙ｅｔｈ哪咖也ｅ句镦吣ｒｄ盯ｍｏｄｅｌ０ｐ６ｍａｌＰＤｃ０Ｉｌｔｒｏｌｌｅｒｉｎｄ戗∞嘣Ｉｉ舶懈ｍｅ∞ｎ仃们ｉ甜∞ｂｅｔｗ嘲ⅡＩｅ蛐ｇ∞咖徼ｙ舳ｄ胁嘲ｙ０ｆＮＯＩＩｌｏｔ０ｓｂｉｐｅｑ嘣。璐．Ｔｌ坞ｓｄ洲ｐ｜赶１０ｒｍ锄∞ａ两删ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｏ瞩觚ｄｔｈｅ耻咖ｅｔ盯ｉｎｉｔｃａｎｂｃｔ０ｍｅｗ∞ｍ盯锄ｄｓ钰ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，∞ｉｔｈ勰ａ曲ｉｈｔｙ协ａｄａｐｔｔ０曲眦ｌｇ锱ｉｌＩｔｈｅｗ船ｍｅｆ．ＫａｌＩＩ脚１衄ｔ凹ａ１９０ｄｌｈｍｉｓａｐｐｌｉｏｄｔ０ｍｅ反咖ｄＶｅｉｄ枷ｆｉ∞６饥ｏｆｔｈｃｓ：ｈｉｐｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅ墙ｂ舔ｅｄｏｎＩ∞ｄｅｌ∞ｆ酾Ｉ∞ａｄａｐｄＶｅｔｈｅｏｒ弘ｍｌｄｃｏｍｐ：潞ａｔｅｍｏＩｄｅｌｐａ硒ｍｅｔｅ岱硒ｒｃ：ｈ锄ｇ铭ｏｆｔｌｌｅｓｌｌｉｐｓｐｅｅｄｔ０ｉ玎１ｐ∞Ｖｅｔｌ蟛戤翻瑚ｃｙｏｆｐ砒ｍｎ勖盱ｉｄ船ｔｉ丘硎ｏｎ．Ａｎｄｔ：ｈｅＫａｌｍ锄ｆｉｌｔ酉丘ｌ旬盯ｏｕｔｈｉｇｈ－伍Ⅺ眦ｎｃｙｓ铭ｗａｖｅｉｎｔｅｒｆａ徽ｉＩｌｌｉｌ赋＿０ｒｄ盯１０ｗ－ｐａ船丘ｌｔ盯锄ｄｍｅｍｄｄ盱锄哲ｅ舳ｄｈｅａｄｉｌｌｇｓｉ掣Ｉａｌｓ．。ａｄａ砷ｌｂｉｌｉ劬ｅｔｃ．．ＣｏｕｒＳ咖ｉｒｌｇｍｐｒ０踟ｈａＳ龇蛐ｇｃｓｏｆｓｐｅ咄删∞ｅ啊刚蚝ｓ训劬ａｕｌ－ｏｐｉｌｏｔｉｎｄｉ∞ｃｃ眺－ｋ唧ｉＩ玛觚ｄｐ∞ｖｉｄ骼觚ｅｆ融ｉｖｅ∞ｌ嘶∞ｔｏａｃ：ｌｌｉｅｖｅｉｎｔｅ孕吼ｅｄｂｄｄ】雪ｅｃｏｎｔｒｏｌｓ）ｒｓ觚．１【ｅｙＷｂｒｄ：Ａｄａｐ廿ｗＡＩＩｔｏｐｎｏｔ；Ｃｏｕ璐ｅ．ｋｅｅｐ缸ｇ；ＳｈｉｐＭｏｄｅＩ；Ｐａｎ删Ｉｔ盯Ｍｅｎ蜘匡ｃａ廿ｏｎ；ｌ（曩ＩｎＩ蚰ｍｔｅｒ船舶自适应舵的一种算法研究第１章绪论１．１引言航海是指人类在海上航行，跨越海洋，由一块陆地到另一块陆地的活动。早在距今７０００多年前的新石器时代晚期，中华民族的祖先就利用火和石斧“刳木为舟，剡木为楫”了。无论是从事海洋旅客和货物运输，还是渔业养殖与捕捞；无论是开采海底石油和矿藏，进行科学考察研究，还是开展现代化海上军事国防，这一切都离不开航海技术。特别是，日益发展的当今社会，人们把眼光逐渐投向了海洋，“钓鱼岛”事件，南海争端……当海洋科技越来越发达的时候，中国人在世界上的话语权就会具备一个扎实的基础，我们站在国际舞台上，争取国家利益的时候会更有底气。据中国船舶工业行业协会的统计数据，２００６年中国的造船总量已经达到１４５２万载重吨，占世界的２０％左右。外高桥造船，大连船舶重工，江南造船等一大批本土优秀的造船企业挤入了世界前茅的行列，形成了集装箱船、油船、散货船三大船型并驾齐驱以及海洋工程装备制造蓬勃发展的局面【ｌ】。人类的文明离不开船舶技术的发展，它也是一个国家综合国力的重要体现。而船舶技术进步的重要标志是控制船舶的自动化水平。如今，海上航运是全球货物贸易最经济、最成熟的运输方式。海洋里风浪雾礁，险象环生，如何自动合理的操纵船舶安全的到达目的地，是一个严峻的考验。船舶自动操舵装置（Ａｕｔｏｐｉｌｏｔ）简称自动舵，是使船舶自动保持在设定的航向上的一种操舵装置。它是控制船舶航向的关键设备。近年来，在自动操舵装置中应１．２自动舵的发展及研究现状自动舵的发展经历了机械自动舵、电子自动舵、自适应自动舵三代。早在１９２０用自适应控制策略，不仅提高了安全性，而且可以节省推进能量，降低成本，其优越性日益凸显。年德国ＡｎｓｌｎＪｔｚ公司研制出来世晃上第一台转舵角与偏航角成比例的自动舵。１９２２年Ｍｉｎｏｒｓｋｙ提出了ＰＩＤ控制器，随后美国Ｓｐｅｎｙ等公司研制成功了包括比例、微分、积分的ＰｌＤ自动舵，不过它们的调节机构都是机械式的。５０年代以后，随着绪论电子技术的发展，自动舵也采用了电子器件。电子式ＰＩＤ自动舵不仅体积小，重量轻，而且调节精度高，增加了操纵的可靠性。６０年代，随着现代控制理论和微机技术的飞速发展，第三代产品白适应自动舵应运而生。国外已经有各款成熟的产品相继投放市场，由于它在安全和节能方面的优异表现，越来越多的被应用在现代化船舶上。自适应自动舵是一种具有自适应控制功能的自动舵。它可以根据船舶当前状态的观测信息，不断地辨识模型参数，在线更新控制器参数，使舵机系统工作在接近最优的状态。目前，已经有不少学者基于自适应控制理论进行了这方面的研究，取得了不少有价值的成果。七十年代，形成了以Ａｓ仃０ｍ为代表的自校正调节器理论（Ｓｅｌｆ二ｔＩｌｎｌｌｉｎｇｒｅｇＩｌｌａｔｏｒ，即ＳＴＲ）和以Ｌａｎｄａｕ为代表的模型参考自适应（ＭｏｄｅｌｒｅｆｅｒｅＩｌｃｅａｄ印ｔｉｖｅｓｙｓｔｅｍ，即ＭＲＡｓ）。Ａｓｎ．ｏｍ和Ｋａｌｌｓｔｒｏｍ等采用离散时间模型，将自校正控制原理和Ｋａｌｍ柚滤波应用于船舶的自动驾驶，取得了不错的经济效益【２１。自校正控制虽然具有适应性强、算法简单的优点，但是它不像模型参考自适应控制那样根据系统的稳定性来设计，所以还要分析自校正控制器的稳定性。近年来，随着智能控制理论的发展，已经有学者开始研究智能控制自适应舵，如模糊自适应控制器。但是许多智能控制器的稳定性尚不能用成熟的理论来证明，而且过程的计算量很大，所以目前都处于理论化研究阶段，在船舶上没有实际应用【３１。在国内，自动舵技术发展缓慢。这一方面是由于早期国内造船行业的总体规模小，对国产自动舵需求量少；另一方面是因为研究资源的整合缺陷及其研究资金匮乏。早在２０世纪８０年代，我国部分研究机构就开始了这方面的研究工作，但是由于对船舶总体环境认识的缺乏，研究出的产品性能与国外有较大差距，加上后续科研经费的不足，大部分机构陆续停止了研究工作。１．３自适应自动舵研究的意义．船舶航向自动控制是船舶操纵性能的一个重要指标，与其航行的安全性，经济性息息相关。随着世界航运日益增长的需求，人们对船舶航向自动控制的要求也越来越高。目前船上仍广泛配备的传统ＰＩＤ自动舵存在比较严重的缺陷。它不能根据船舶自身的动态特性和变化的海上环境对ＰＩＤ参数进行自动调节，使其偏