關于ADRC的船舶主機控制器設計以及仿真分析

曹鏑

摘 要：隨著現代機械工業的不斷發展，船舶航向運動系統所具有的不確定性和非線性特征越來越明顯，自動舵執行能力產生的約束作用、流、浪以及風的影響力也較為明顯，從而導致航向控制器的設計工作存在一定的難度，文章主要對ADRC船舶主機控制器的設計原理進行分析和探討，并提出針對性的設計原則。通過對仿真結果的分析和探討，不難發現這種控制器對于船舶的實際航向運動所具有的環境、參數不確定性和非線性等控制對象的變化有著顯著的指導，航向切換過程中的平滑、快速以及操舵量相對較少，從而可以快速精確地獲得控制保持。

關鍵詞：船舶主機控制器；設計工作；仿真分析

引言

船舶交通在當今社會經濟發展過程中承擔著將近90%的國際貿易運輸工作需求，海上交通的密集程度也隨著經濟發展不斷進步，從而航行工作需要達到更高的經濟性和安全性的要求，做好船舶的航行控制工作則顯得較為重要。船舶在實際航行過程中，還會受到風力因素對船舶產生的附加變動風力以及均風力的影響。在最近幾年的社會發展中，自動化配合智能化船舶的發展相對較快，但是，受到船舶運動所表現的復雜性影響，船舶運動所表現出的智能控制問題無法得到很好的解決，目前很多船舶航向的控制器主要還是使用自適應控制以及PID控制方法，其控制效果和應用范圍無法滿足船舶智能化提出的要求。自抗擾控制技術屬于不通過系統模型的一種全新控制技術，它不僅能夠評估系統運行過程中所受到的各種內擾或者外擾作用，還能夠有效地對其進行補償，這種特殊性的非線性反饋結構具有顯著的控制品質，具有響應快、超調小、抗干擾能力強、算法簡單等優勢，還能夠保證數字化工作更好地實現。

1 船舶航向所形成的非線性系統模型分析

船舶所形成的航向運動控制系統結構如圖1所示：

船舶運動可以通過狀態空間模型來對其加以表述，還可以利用輸入-輸出模型來分析。從船舶的運動動態幾個主要脈絡來獲得微分方程，從而保留原始傳統的非線性各個影響因素，其中較為簡單的一種響應模型表現為Nomoto模型，具體如下所示：

因為船舶的航向運動具有非線性特征，其模型參數也會隨著航速、水深、裝載質量的變化而產生攝動，風、流以及浪所產生的擾動作用也會讓船舶的航向受到影響，航向控制的主要執行器的舵機機構屬于動態的一個系統，具有最大操舵角速率和最大操舵角的限制。

2 自抗擾控制原理以及向航自抗擾控制器設計措施

對于存在未知擾動的n階SISO非線性不確定控對象方程式表示為：

x（n）=f（x，x，…，x（n-1），t）+w（t）+b（t）u

其中，方程式中的w（t）表示為一種對象外部的擾動，其中的u作為一個控制量，b（t）則表示控制放大的具體系數，通過跟蹤微分器和擴張狀態觀測器，配合非線性狀態誤差的實際反饋控制步驟來構造出具體的非線性自抗擾控制器。這種自抗擾控制器是由ESO、TD以及NISEF等部件構成，其中的TD主要發揮著安排和過度的過程，從根本上實現對系統輸入信號進行快速、無超調地跟蹤，并給出相應的微分信號。ESO則是對整個系統的模型、狀態以及外繞加以評估，屬于自抗擾控制器的主要構成要素，ESO則是把各種位置的外擾非線性不確定對象及時反饋給積分器串聯型，從而設計出較為理想的狀態誤差反饋控制器，并對這種誤差反饋通過有效科學的方式來進行非線性配置，保證這種非線性狀態誤差的反饋控制律能夠得以實現。要想能夠從根本上實現上述的船舶航向運動系統的設計，按照常規的方法來分析，大都會設計成雙環航向控制系統，其中的ADCR1（2階）則是船舶系統的控制器，ADRC2（1階）作為舵機機構的一個控制器。根據從內環到外環的設計原則和設計順序來對控制器的參數加以整定，其中的ADRC2一共有11個參數，而ADRC1則有15個不同的參數，整個設計難度相對較大（圖2）。

從船舶航向控制器的實際設計角度來分析，整個設計工作的主要目的就是能夠跟蹤船舶的航向并保持準確，所以，把船舶的運動數學模型以及舵機機構模型當成一個統一的整體，保證控制器的設計工作以及設計步驟能夠得以簡化。

3 結束語

從ADRC船舶主機控制器設計和仿真結果來分析，不難發現立足于ADRC設計的傳播航向非線性系統控制器能夠對船舶非線性特征、參數的固定值攝動、系統綜合擾動以及隨機攝動等各種不確定性特征有著顯著的魯棒性，航向切換控制過程具有平滑、快速、操舵需求能量小、航向精度高、參數適應性相對較廣等特點和優勢，屬于相對理想的一種航向控制系統。

在設計船舶航向小角度時，其航向相應不存在任何超調的問題，但是，整個相應速度相對較慢，其主要原因是設計的航向過渡過程的安排工作采取了定值的方法，為了能夠保證航向在不同角度的具體相應特性得以協調，可以通過不同的方式來對角度加以設定，選擇合適的h、r數值。

自抗擾控制技術（簡稱：ADRC）屬于不通過系統模型得以實現的新型控制技術，能夠對系統運行過程中受到的不同內擾和外擾作用加以補償和評估，并且結合這種特殊的非線性反饋結構來達到顯著的控制要求，具有響應快、超調小、算法簡單、抗干擾能力強、精度高等特征，從而保證數字化過程得以實現。

參考文獻

[1]潘為剛，李貽斌.優化自抗擾控制器在船舶主機上的應用與仿真研究[J].內燃機工程，2012，5：74-78.

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