一種考慮磁滯特性的船舶航向保持控制策略

張穎睿

(大連海事大學，遼寧 大連 116000)

0 引 言

有關船舶的運動控制一直是控制領域的熱點問題。航向保持問題則是船舶控制領域一個重要的研究方向。傳統的船舶保持控制算法為PID控制和自適應控制兩種。近些年，隨著控制理論的進一步完善和發展，新興了許多控制算法。諸如模糊控制，神經網絡控制，變結構控制等等。而多數的研究卻較少考慮磁滯這一非線性特性，導致理論分析與實際的結果之間存在一定程度的偏差。

磁滯問題普遍存在于非線性系統中，總結近些年的研究，磁滯非線性模型大致可分為三種：Prandtl-Ishlinskii模型(PI模型)，Preisach模型以及神經網絡模型。目前，對非線性系統進行磁滯補償的方法主要是兩種：一種是基于磁滯逆模型的磁滯補償控制方法，一種是無需構造逆模型的磁滯補償方法。本文采取第二種方法無需構造逆模型對船舶運動系統中存在的磁滯特性進行補償，由文獻受到啟發，設計了一種針對船舶航向保持的魯棒自適應控制策略。進一步對閉環控制系統運用lyapunov理論證明了其具有全局穩定性，從最后的仿真分析中可以看到，該控制器的設計對整個閉環系統磁滯磁滯性起到了良好的抑制作用。

1 磁滯補償控制方法選型

依照以下順序β，p，r，φ，δa，δr，耦合方程排序。β，p，r，φ輸出量在左側，輸入量δa，δr在右側。

(1)

修正導數法，如下

可知

(2)

動力學導數如下：

動力學導數(側向力方程)

如下，矩陣方程

(3)

對于船舶受到磁滯影響性的穩定性的分析，在不進行外部操作影響情況下，x(0)≠0。此時，受磁滯的穩定性取決于矩陣的特征向量以及特征值。從結果中可以發現，控制器的設計對于磁滯非線性的影響起到了有效的抑制作用。

2 考慮磁滯特性的船舶航向保持控制器設計

對于非線性磁滯算子H(V[t])，可以通過分解方法，達到對不需要運用逆模型的磁滯補償控制器進行設計的目的。將非線性的磁滯算子做線性部分K與非線性部分d的分解。

可知，

〈0

(4)

該矩陣為系統魯棒控制器，其中Si>0。

3 仿真分析

在對仿真模型中設置模塊中的觸發角進行調節時，應該對其變化情況a=110，125，140，160進行輪流的設置，同時將穩定狀態下的電流仿真波形和電流計算的具體數值進行比較。

本研究利用仿真技術對所研究的磁滯問題進行檢驗。建立一獨立螺旋槳，具有一定速度的船舶仿真。其中死區dz是0.3，舵角的最大值是δmax是30°，舵角速率的最大值是30°/s，時間常數z0是0.25 s。為了模擬海風(常值)以及海流擾動，需要在舵角處疊加-3°。本研究為了減少航向角測量誤差，以及測量方便，使用了羅經測量方法。根據驗證，其對航向角的測量誤差范圍小于0.1°。對實際舵角進行測量時采用了舵角傳感器，其誤差保持在0.03以內，在仿真過程中進行噪聲的測量時運用了對應幅值的零均值高斯白噪聲進行模擬測量。舵角設定為0°。觀測器的偏移時間常數、截止頻率、初始值分別為1 000 s、1.1、0.8 rad/s。

從仿真結果中可以看出，控制結果在不同的航速下，都比較好，同時各參數之間都具有良好的收斂性，在模型參數的變動上，控制算法都能夠對其進行適應，所以可以認為，自適應反步輸出反力，實現了磁滯特性船舶航向設計有限時間的控制。

圖1 航向變化與舵角變化曲線

4 結 論

從仿真結果中可以看出，控制結果在不同的航速下都比較優異，同時各參數之間都具有良好的收斂性，在模型參數的變動上，控制算法都能夠對其進行適應，舵角抖動變化不明顯，一定程度上改善了磁滯特性對船舶航行的影響，實現了對磁滯特性的補償作用。