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波浪作用下船舶航向自抗扰控制设计及参数配置

李荣辉;曹峻海;李铁山

【摘要】针对具有内部参数不确定性和外部扰动的海上船舶设计了航向自抗扰控

制器,并解决了舵机模型中舵角的限幅和限速问题,基于滑模控制理论提出了反馈控

制带宽的计算方法.采用频域分析的方法,系统地分析了自抗扰控制器对外部波浪扰

动的抑制能力、模型参数不确定时的鲁棒性;结合作者实船工作经验以及系统动态

特性与控制参数的关系,提出了船舶航向控制器参数的配置规律;最后以一艘57000

吨级散货船为控制对象,验证了航向控制器的鲁棒性和本文所述参数配置规律的有

效性.为将自抗扰控制算法应用于船舶自动舵设计提供理论依据和实践参考.

【期刊名称】《控制理论与应用》

【年(卷),期】2018(035)011

【总页数】9页(P1601-1609)

【关键词】自抗扰控制;船舶航向;扩张状态观测器;参数配置;带宽

【作者】李荣辉;曹峻海;李铁山

【作者单位】大连海事大学航海学院,辽宁大连116026;大连海事大学航海学院,辽

宁大连116026;大连海事大学航海学院,辽宁大连116026

【正文语种】中文

【中图分类】TP13

1引言(Introduction)

目前，海上船舶正朝着高速化、大型化、自动化和无人化的方向发展.航行于海上

的船舶受到风、浪、流等复杂外界干扰和船舶本身不确定复杂要素(如吃水、装载

状态、船速、水线下船体形状等)的影响，使船舶航向控制成为一个具有挑战性的

问题.船舶航向控制是解决很多船舶自动控制问题(如动力定位、船舶航迹控制及自

动避碰等)的基础，也是实现船舶无人化关键环节.

众所周知，1922年PID控制算法是针对船舶的航向控制问题被提出并被首次应用

的，直到现在大部分船舶所配装的航向保持自动舵依然以PID算法为主，但PID

控制器表现出对不断变化的船舶动态特性和航行环境的适应性不强，针对因高频海

浪而操舵次数过多的问题采取的“死区”非线性控制方法，会导致周期性偏航、船

舶航行阻力增大、推进能耗增加等问题.随着自动舵技术的发展和控制理论研究的

不断深入，很多新型控制理论如自适应控制[1]、自校正控制[2]、优化控制[3]、神

经网络控制[4]、模糊逻辑控制[5]、滑模控制[6]等不断被引入到航向控制的设计中，

但这些方法通常对被控对象的数学模型精度要求比较高，需要内部不确定和外部扰

动的先验信息，在工程实现上存在较大难度.不断探索精度更高、抗扰性能更强、

算法相对容易实现的船舶航向控制算法是控制界和航海界共同奋斗的目标.

自抗扰控制(activedisturbancerejectioncontrol，ADRC)的思想和方法由韩京

清先生于20世纪80-90年代提出，其核心思想是将系统的外部扰动和内部未建模

动态合在一起看成总扰动，然后对总扰动进行实时估计和补偿[7-8].文献[9]利用带

宽概念将自抗扰控制器线性化，将非线性自抗扰简化为线性自抗扰(linearADRC，

LADRC)形式并且实现了参数化，克服了非线性ADRC调参难的瓶颈.近年来，

ADRC的理论研究和实际应用成果日益增加.文献[11]分析了受控对象模型动态大

范围未知情况下线性扩张状态观测器(linearextendedstateobserver，LESO)的

收敛性.文献[12]分析了典型二阶系统LADRC的稳定性与参数选取的关系，并给出

了典型系统的稳定域;文献[13]将LESO对不确定动态的估计收敛性推广到了不连

续情形;文献[14]从频域分析方法入手，分析了LESO的跟踪估计能力和ADRC的

稳定性、对外部扰动的抑制能力和模型参数不确定性的鲁棒性及其噪声传递特

性.ADRC已经实际应用于ParkerHannifin高分子材料挤压生产线、美国德州仪

器的运动控制芯片及机器人产品中.

目前已经有学者将自抗扰控制控制算法应用于海上船舶航向或航迹控制.文献[15]

将自抗扰控制器与Smith预测器结合，解决了在不确定时滞下的船舶航向控制问

题.本文作者在文献[16]中将ADRC与滑模理论结合，设计了考虑风、流干扰的路

径跟踪控制器.文献[17]针对货船设计了航向控制器，其将舵机特性部分作为总扰

动的一部分处理.但目前ADRC在船舶航向控制