張景鴻，王欽若，葉寶玉，熊建斌

    （廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006）

摘  要：針對(duì)船舶動(dòng)力定位手柄操作模式表現(xiàn)出的多變量、強(qiáng)耦合、非線性和時(shí)變性等特點(diǎn)，提出了一種增量式PID解耦控制方法?？紤]橫蕩速度與艏搖角速度之間的耦合問題，采用前饋補(bǔ)償解耦法對(duì)船舶的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解耦；根據(jù)解耦后的船舶動(dòng)力學(xué)模型，采用增量式PID控制算法分別對(duì)縱蕩速度、橫蕩速度和艏搖角3個(gè)自由度設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器。仿真結(jié)果表明，該控制器跟蹤快、實(shí)時(shí)性較好、魯棒性強(qiáng)，可以滿足工程應(yīng)用的要求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力定位；動(dòng)力學(xué)模型；手柄；解耦；PID控制

中圖法分類號(hào)：TP273  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A  文章編號(hào)：1000-7024 (2012) 12-4736-05

引  言

    動(dòng)力定位(dynamic positioning，DP)是指不借助錨泊系統(tǒng)而通過自身動(dòng)力使船舶保持在預(yù)定的位置，DP系統(tǒng)一般由位置測(cè)量系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)三部分組成‘’2。。與傳統(tǒng)錨泊的方式相比，DP系統(tǒng)定位精確，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，操作方便且不受水深限制。海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展促使對(duì)DP系統(tǒng)的需求不斷增長，并加人對(duì)DP系統(tǒng)的研究力度。目前DP系統(tǒng)韻操作模式有手柄操作模式、艏向控制、自動(dòng)導(dǎo)航、定位保持、目標(biāo)跟蹤和自動(dòng)航跡2。。船舶動(dòng)力定位手柄操作模式是指通過一只手柄來操縱船舶，具有操縱靈活、簡單、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)手柄操作模式的工作原理和船舶的動(dòng)力學(xué)模型，提出了使用增量式PID解耦控制方法。文中

1  船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

    船舶手柄操縱模式是指使用操作面板上的手柄來手動(dòng)控制船舶的前進(jìn)、后退、橫移、停【f：、轉(zhuǎn)向、斜航以及航速。在船舶靠離港LJ、平臺(tái)作業(yè)時(shí)尤為適用，該操作方式靈活、簡單、可靠。

    在建立船舶數(shù)學(xué)模型時(shí)，通常采用兩種坐標(biāo)系：人地坐標(biāo)系OEXE YEZE和隨船坐標(biāo)系OX YZ，如圖1所示。在人地坐標(biāo)系中，XE指向正北，YE指向正東，ZE指向地心；在隨船坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(diǎn)0位于船的質(zhì)點(diǎn)，X軸指向船艏，y軸指向船的右弦，Z軸指向船底，妒為船舶的艏搖角。

    在風(fēng)、浪、流作用下，無約束的船舶運(yùn)動(dòng)具有6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)特征，每個(gè)自由度都包含了高頻和低頻運(yùn)動(dòng)。一般來說，高頻運(yùn)動(dòng)并不會(huì)使船舶產(chǎn)生位置變化，因此動(dòng)力定位僅考慮縱蕩、橫蕩和艏搖3個(gè)自由度在水平面的低頻運(yùn)動(dòng)。船舶手柄控制模式主要考慮縱蕩速度、橫蕩速度以及艏搖角的運(yùn)動(dòng)控制，從船舶的動(dòng)力學(xué)方程式(2)可以看出，船舶在橫蕩速度與艏搖角速度上存在耦合，首先要設(shè)計(jì)解耦環(huán)節(jié)來消除它們之間的耦合，實(shí)現(xiàn)各回路間的獨(dú)立控制。

2 PID解耦控制器設(shè)計(jì)

2.1解耦控制

    在多輸入多輸出控制系統(tǒng)中，當(dāng)輸入輸出之間相互影響較強(qiáng)時(shí)，會(huì)妨礙各回路變量的獨(dú)立控制作用，甚至破壞系統(tǒng)的正常工作。因此，需考慮使用解耦控制來消除變量間耦合的影響。對(duì)多變量耦合系統(tǒng)的解耦，目前使用較多的有：前饋補(bǔ)償解耦法、反饋解耦法、對(duì)角陣解耦法和單位陣解耦法6-8]。前饋補(bǔ)償解耦法結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，效果顯著，在工程得到廣泛應(yīng)用。帶前饋補(bǔ)償器的全解耦系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2  增量式PID算法設(shè)計(jì)

    隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，數(shù)字式控制器的應(yīng)用越來越廣泛?？刂扑惴ê瓦壿嫻δ芸梢酝ㄟ^數(shù)字計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，使控制更加靈活。何置式、增量式和速度式是理想PID箅式的3種離散表達(dá)式。使用位置式PID計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算量人‘9-1“1]。而且，其控制量r(k)的輸出直接對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入，當(dāng)計(jì)算機(jī)故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生人幅度變化，這會(huì)導(dǎo)致元件受損甚至釀成生產(chǎn)事故。而增量式PID只輸出控制的增量△r(k)，所以誤動(dòng)作是影響小?！?/span>r(☆)通過A時(shí)刻的偏差和前兩個(gè)時(shí)刻的偏差來計(jì)算，A時(shí)刻的控制量f (k)由△r(＆)和f（k-l）相加而成。通過這樣的加權(quán)處理可以減少計(jì)算時(shí)間，節(jié)約內(nèi)存，并且獲得較好的控制效果。使用增量式PID手動(dòng)／自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換rio]。在船舶動(dòng)力定位手柄操作模式下，系統(tǒng)輸入信號(hào)通過手柄和旋轉(zhuǎn)編碼器輸入，選用可編程序邏輯控制器(programrnable logic con-trollcr，PLC)作為主控制器，要求系統(tǒng)的輸出能快速反應(yīng)，增量式PID能滿足該模式下的控制要求。

     手柄三軸分別輸入縱蕩速度，橫蕩速度和艏搖角速度限值，艏搖角通過旋轉(zhuǎn)編碼器輸入。船舶在旋轉(zhuǎn)過程中速度不能太快，所以通過手柄Z軸來輸入艏搖角速度的限值。外載荷力風(fēng)、浪、流通過前饋補(bǔ)償?shù)娇刂破鬏敵?。其系統(tǒng)框架如圖3所示。

    根據(jù)所選供給船的模型參數(shù)，選取仿真采樣時(shí)間為1. 2s，設(shè)船的縱蕩速度“給定為20m／s，橫蕩速度”給定為lOm／s，艏搖角Ang給定為50。。縱蕩速度控制器的比例系數(shù)Kci取0.3，積分時(shí)間常數(shù)Tl.r取47. 24，微分時(shí)問常數(shù)TD_r取0.4724。橫蕩速度控制器的比例系數(shù)Kcy取0. 29，積分時(shí)間常數(shù)Tly取23. 967．微分時(shí)間常數(shù)TDy取0. 2397。艏搖角由外環(huán)控制器控制角度，內(nèi)環(huán)控制器控制艏搖角速度。艏搖角控制器的比例系數(shù)Kcang取0.1，積分時(shí)間常數(shù)Tlang取2.0747，微分時(shí)間常數(shù)TDang取O；艏搖角速度控制器的比例系數(shù)Kca取0.029，積分時(shí)間常數(shù)Tla取6.224，微分時(shí)間常數(shù)TDa取0.06224。調(diào)節(jié)艏搖角控制回路時(shí)，先整定內(nèi)環(huán)參數(shù)，使得艏搖角加速度輸出基本穩(wěn)定，然后再設(shè)定外環(huán)參數(shù)。在靜水環(huán)境進(jìn)行仿真，所以取外載荷力為O，仿真波形如圖4～圖6所示。

    從圖4～圖6可知，船舶的縱蕩速度、橫蕩速度和艏搖角過渡過程平穩(wěn)，超調(diào)量小，反應(yīng)迅速，本文設(shè)計(jì)的PID解耦控制器取得比較滿意的控制效果，并能滿足船舶在實(shí)際應(yīng)用中的控制要求。

    分別改變橫蕩速度和艏搖角度的輸入，驗(yàn)證PID解耦控制器的解耦情況。分別改變橫蕩速度和艏搖角，觀察輸出波形的變化。給定船舶的橫蕩速度為30m／s，艏搖角保持50。，仿真波形如圖7所示。

    船舶的艏搖角改為200。，橫蕩速度保持lOm／s，仿真波形如圖8所示。

    由圖5-圖6與圖7～圖8比較可知，橫蕩速度的輸入改變并不會(huì)引起艏搖角的輸出，而艏搖角輸入的改變對(duì)橫蕩速度的輸出也沒有影響，說明文中使用的解耦環(huán)節(jié)能有效消除了橫蕩速度跟艏搖角之間的耦合。

    改變船舶仿真模型的參數(shù)，船舶的參數(shù)由式(13)變?yōu)槭?/span>(14)，PID解耦控制器的參數(shù)保持不變。仿真波形如圖9所示，可以看出當(dāng)船舶的參數(shù)改變后，船舶縱蕩速度，橫蕩速度和艏搖角輸出波形的調(diào)節(jié)時(shí)間增加，超調(diào)量也變火，但仍能滿足控制要求，證明該控制器在模型參數(shù)變化時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性

4  結(jié)束語

    根據(jù)手柄操作模式的工作原理和船舶的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)增量式PID解耦控制器，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力定位的手柄操作模式。首先使用前饋補(bǔ)償解耦算法有效地消除橫蕩速度與艏搖角速度之間的耦合，然后利用增量式PID控制算法分別對(duì)縱蕩速度、橫蕩速度和艏搖角3個(gè)自由度進(jìn)行相應(yīng)的控剖。仿真結(jié)果驗(yàn)證PID解耦控制器的有效性，超調(diào)小，反應(yīng)快，在改變輸入及船舶參數(shù)時(shí)系統(tǒng)仍能滿足控制要求。該控制器易于工程上實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的魯棒性。