耙吸挖泥船DP/DT控制算法研究

尹志華 俞孟 蕻袁偉

（江蘇科技大學電子信息學院 鎮江 212003）

耙吸挖泥船DP/DT控制算法研究

尹志華 俞孟 蕻袁偉

（江蘇科技大學電子信息學院 鎮江 212003）

動力定位/動態跟蹤；耙吸挖泥船；模糊PID

以耙吸挖泥船為應用背景，介紹了動力定位/動態跟蹤的發展和現狀，設計出基于模糊的PID控制算法來實現位置保持和按預定航跡疏浚。根據工程經驗制定了符合耙吸挖泥船應用的模糊規則，同時通過Matlab及Simulink對其進行仿真。實驗結果表明，該控制算法在環境力的影響下，DP/DT效果良好，滿足工程實際需要。

0 引言

隨著計算機、傳感器及推進技術的飛速發展，耙吸挖泥船的疏浚作業向自動化方向發展，動力定位/動態跟蹤（DP/DT）作為一種高新技術在應用中越來越受到人們的重視。耙吸挖泥船的DP/DT是指不借助于錨泊系統的作用，而利用自身裝備的各類傳感器測出其運動狀態及風浪流等環境力，通過計算機復雜的實時計算來控制耙吸挖泥船的艏艉側推，主推及舵產生適當的推力和轉矩，以抵消環境力對挖泥船的影響，使挖泥船盡可能保持在設定的船位和艏向或按預定航跡進行疏浚施工［1］。DP/DT具有不受水深限制，可實現精確機動等優點，應用在耙吸挖泥船上可加快疏浚速度，提高疏浚效率和精度，提升疏浚的檔次，取得良好的疏浚效益。

控制算法是DP/DT系統研究的核心。動力定位控制技術目前基本上已發展到了第三代，第一、二、三代動力定位產品集中反映了經典控制理論、現代控制理論及智能控制理論在船舶DP/DT控制中的應用。在國內，動力定位尚處于發展初期，在疏浚業領域尚屬空白，特別在大型耙吸挖泥船方面，技術和市場還完全被國外的IHC和Kongsberg所壟斷。

國內的動力定位設備完全依賴進口，這制約著未來我國船舶業的發展。作為一門高新技術，在疏浚業市場繁華的今天，動力定位擁有廣闊的發展前景和市場潛力。

1 基于模糊的PID控制算法

耙吸挖泥船的疏浚是一個復雜的過程，在疏浚作業時，除了受到本身推進器的推力，還受到風力、波浪、海流、噴頭后座力及耙管作用力等作用力的綜合影響，產生縱蕩、橫蕩、升沉、縱搖、橫搖與艏搖6個自由度的運動。一般只考慮艏搖、橫蕩、縱蕩三個方向。在實際的工程化應用中，很難建立起耙吸挖泥船精確的數學模型。為了適應工程化應用的需要，本文選用基于模糊的PID作為挖泥船DP/DT的控制算法。

模糊PID控制器是將模糊控制和PID控制相結合的技術，它依賴于被控系統的物理特性，將人工實踐經驗用模糊語言的形式加以總結和描述。運用模糊數學的基礎理論和方法，把規則的條件，操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則以及有關信息作為知識存在計算機的知識庫中，然后計算機根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，實現對PID參數的最佳調整。它既有模糊控制適應性強、靈活的優點，又有PID控制器精度高的特點［2］。

圖1 耙吸挖泥船DP/DT系統的結構框圖

耙吸挖泥船DP/DT系統的結構框圖見圖1。DP/DT控制系統包含三條前饋反饋回路，每條回路包含一個形式上相似的模糊PID控制方程［3］。由于疏浚時船速一般低于4 kn，因此不考慮挖泥船在艏搖、橫蕩、縱蕩三個方向的耦合。在DP/DT控制算法中，模糊PID控制器分別以三個方向的偏差e及偏差變化率△e作為輸入。疏浚時，挖泥船的測量系統不斷地檢測e和△e，在一個時鐘周期內完成對傳感器的數據采集與挖泥船運動狀態的估算，并發出相應的力和轉矩指令FX，FY，MZ。算法的核心是通過總結工程技術人員的實際操作經驗，建立合適的模糊控制表來對PID中的參數進行在線修正，以滿足不同e和△e對控制參數的不同需求，使挖泥船具有良好的動態與靜態性能［2］。

在疏浚過程中，風、浪、流是影響耙吸挖泥船運動姿態的環境因素。風作為挖泥船的主要干擾因素，它的速度和方向可以由風傳感器測得。為了快速抵消風力的干擾，在DP/DT控制器設計時，采用前饋控制對風進行主動補償，使風的變化在挖泥船未移動時就對風產生反力補償，從而減小風力的影響。這樣設計可以顯著改善系統的性能，有助于DP/DT控制精度的提高［3］。海流由于速度難以測量，需通過kalman濾波器進行預估，作為干擾處理。

波浪分為一級和二級波浪，其中一級波浪表現為高頻運動，可以通過kalman濾波器加以濾除；二級波浪表現為二階的波浪漂流力，它會使挖泥船緩慢飄離原來的位置，在控制算法中對其進行反饋控制，從而達到定點或跟蹤控制［4］。在DP艏噴過程中，由于噴頭對縱蕩方向產生的后座力很大，因此要對它進行補償；在DT低速疏浚時，兩條耙吸管對耙吸挖泥船自身也會產生很大的作用力，在控制器設計時也要進行耙管力的補償。

1.1 偏差的計算及區域劃定

DP/DT系統通過有關測量系統獲得挖泥船的精確位置和艏向信息［5］，使挖泥船定位在設定點或者按照預定航跡進行低速疏浚作業。

式中：x、y、Ψ為經過濾波后所得到的以大地為參考系的位置艏向信息；xd、yd、Ψd為以大地為參考系的DP/DT參考位置及艏向參數；xe、ye、Ψe為以挖泥船為參考系，在三個方向上位置和艏向偏差［6］。

現根據經過kalman濾波器濾波后得到的挖泥船實際位置與設定位置/預定航跡參考點之間的偏差，以參考點為中心，把周圍的區域分為綠色、黃色、紅色和物理四個區域。其中綠色區域表示挖泥船在此區域中可實現精確定位的DP/DT，效果明顯；黃色區域表示警告，表示此時挖泥船已超出綠色區域，DP/DT精度有所下降；紅色區域表示禁止的區域，此時DP/DT效果很差，需要盡快使挖泥船向黃色區域靠近；物理區域表示此時已不適合DP/DT的區域，示意圖見圖2。

圖2 偏差區域圖

1.2 系統的輸入輸出變量

DP/DT系統控制器的輸入量是參考位置的船位和艏向（xd，yd，Ψd）信息。現以縱蕩為例（橫蕩，艏向相似），選取挖泥船縱蕩方向的位置偏差xe及其偏差變化率xce作為模糊控制器的輸入量，PID參數的修正量ΔkP，ΔkI，ΔkD作為輸出量。控制器各變量的語言值分負大、負中、負小、零、正小、正中、正大七檔，隸屬函數均為三角函數。挖泥船縱蕩的語言變量、基本論域、模糊子集、模糊論域、量化因子見表1。

表1

1.3 模糊PID的控制規則

結合耙吸挖泥船運動的特點，根據工程操作人員的經驗得到如下模糊控制規則：

（1）當偏差在紅色區域時，選擇較大的KP，較小的KD，同時使KI=0，從而使挖泥船快速地向設定點靠近；

（2）當偏差在黃色區域時，選擇較小的KP，適當的KD和KI，使挖泥船向綠色區域靠近；

（3）當偏差在綠色區域時，通過選擇較大的KP和KI，以便系統有較好的穩態性能，實現DP/DT的精確控制，同時當偏差的變化率較小時，選擇大些的KP；偏差的變化率較小時，選擇小些的KD。

模糊規則表見表2。

表2 模糊規則表

1.4 增量式PID控制算法

耙吸挖泥船DP/DT控制器的PID部分，選取增量式PID控制器，因為其相比于傳統的PID控制算法有以下優點：前者提供給推力器的增量△uk，只需要保持現在以前3個時刻的偏差值；控制算法不需做累加，計算誤差和計算精度問題對控制量的計算影響較小。由于增量式算法與原始值無關，易于實現手動到自動的無沖擊切換［7］。

設第k-1及k時刻的控制量：

（5）-（4）后得到控制增量：

三個方向所需控制力及轉矩：

FEX為DP/DT時濾波器估算的縱蕩補償力。

2 模糊PID的Simulink仿真

本文以某大型耙吸挖泥船為仿真對象，在Matlab中，利用fuzzy工具箱對其進行DP/DT系統控制算法的Simulink仿真（見圖3，圖4）。模擬海況1∶5 kn風速，135°風向角；1.5 m/s海流速度，0°流向角；1.0 m有義波高；海況2∶10 kn風速，135°風向角；3m/s海流流速，0°流向角；2.0m有義波高。

在不同海況條件下，挖泥船在縱蕩，橫蕩，艏搖三個方向分別用常規PID控制和模糊PID控制的單位階躍響應曲線圖見圖5～圖10。對比分析可知，在相同海況條件下，基于模糊的PID控制較于常規PID控制有更好的控制效果，動態響應更快、調節時間更短，且具有較強的適應性，在縱向、橫向和艏向控制方面具有一定的相似性。當海況條件變成海況2時，相比于海況1，響應曲線的超調變大、動態響應時間變長，但很快也趨于穩定。從中可以看出該控制算法具有一定的抗干擾能力，可以滿足工程應用的實際需要。

圖3 模糊模塊中的Δk PΔk IΔk D三維圖

圖4 Simulink下的模糊PID框圖

圖5 海況1下縱蕩的階躍響應曲線

圖6 海況2下縱蕩的階躍響應曲線

圖7 海況1下橫蕩的階躍響應曲線

圖8 海況2下橫蕩的階躍響應曲線

圖9 海況1下船艏向的階躍響應曲線

圖10 海況2下船艏向的階躍響應曲線

3 結語

DP/DT控制算法部分采用了基于模糊的PID控制算法，充分利用了模糊控制和PID控制的優點，通過工程經驗制定了符合耙吸挖泥船應用的模糊規則，取得了預定的定位效果。DP/DT技術是現代船舶行業的一種高附加值的高新技術，隨著計算機技術、傳感器及推進技術的飛速發展，必將在未來的船舶制造中得到更多的應用和發展。

［1］何崇德.“大洋一號”船的動力定位系統［J］.船舶工程，2004，26（2）:24～27.

［2］竇振中.模糊邏輯控制技術及其應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社.1995:149～152.

［3］Max J.Morgan.Dynamic Positioning of Offshore Vessels［Z］.Marine Division Honeywell Inc.1978.

［4］李文魁，陳永冰，田蔚風，蔣志營.現代船舶動力定位系統設計［J］.船海工程，2007，36（5）:77～79.

［5］IHC SYSTEMS.動態定位和動態跟蹤系統操作手冊［Z］.2002：99.

［6］Katsyro Kijima，Yoshitaka Furukawa.On a dynamic positioning system for off shore platform［J］.OMAE1997-VolumeI-A，Offshore Technology ASME 1997:112.

［7］謝劍英，賈青.微型計算機控制技術（第3版）［M］.北京：國防工業出版社.2006:136～137.

DP/DT control algorithm for Trailing Suction Hopper Dredger

Yin Zhi-hua Yu Meng-hong Yuan Wei

Dynamic Positioning and Dynamic Tracking；Trailing Suction Hopper Dredger；fuzzy-PID

With the description of Dynamic Positioning and Dynamic Tracking（DP/DT）System for a Trailing Suction Hopper Dredger，the positioning and tracking under predefined circumstances is enhanced by fuzzy PID control algorithm.Based on the engineering experience，the rules of fuzzy-PID for Trailing Suction Hopper Dredger is customized and simulated by Matlab and Simu link.The tests show that the newly developed control algorithm substantially provides efficient DP/DT control performance even in severe environmental conditions and satisfies the practical requirements.

U675.9

A

1001-9855（2011）02-0049-05

2010-09-01

［項目性質］江蘇省科技廳高技術研究項目（編號：BG2007031）。

尹志華（1986-），男，漢族，碩士研究生，主要從事船舶控制研究工作。