[01192732]大风浪中船舶航向/航迹智能控制方法研究

大风浪中船舶航向/航迹智能控制方法研究课题成果公报 任务书合同编号：2013 329 225 270 项目来源：交通运输部应用基础研究项目 第一承担单位：大连海事大学 项目负责人：李铁山 项目主要参加人：李荣辉、范中洲、李子富、苗保彬、张玉喜、 高孝日、王欣、方立友、白伟伟 起止时间：2013年4月至2015年12月 1、引言 自从20世纪20年代机械式自动舵应用于船舶航向控制以来,航向自动舵在航行安全、节能、降低船员的劳动强度等方面,一直起着举足轻重的作用,因而航向控制一直受到人们的高度重视。航向自动舵的出现,不仅仅是船舶运动控制工程中的一个重要里程碑,也是控制科学与工程在工程应用发展方面的一个重要里程碑[1]。随着控制科学的发展和计算机技术的进步,航向自动舵及其控制算法得到了飞速发展,可以划分为机械式（简单的比例型）自动舵、PID（Proportion Integration Differentiation,比例-积分-微分）型自动舵、自适应型自动舵和智能型自动舵四个阶段[2-5];而智能控制又可分为神经网络控制、模糊逻辑控制、进化算法（如遗传算法、克隆算法、蚁群算法、粒子群算法等）、混合智能控制等[6-16]。但谈到工程应用,这些船舶航向自动舵算法都不理想,形成目前较为尴尬的现状是：一方面,各种新的控制理论在自动舵中广泛研究和应用试探;另一方面,虽然传统PID控制难以适应船舶控制中的强不确定性和非线性,但是由于PID控制简单、可靠,物理意义明确,目前仍然被广泛地应用于实际工程控制中,仍然在船舶控制系统中占据着主导地位。究其原因,主要有两方面：一方面,船舶动态具有大惯性、大时滞、强非线性、模型摄动显著、外扰复杂等特点,同时受到执行器饱和的限制（例如船舵,其有效工作范围是左右舵角0～40度之间）,综合考虑上述影响因素的船舶运动控制设计问题一直是控制理论与控制工程领域的具有挑战性的难题[17,18];另一方面,当前船舶自动舵所采用的控制算法基本上都是PID控制算法,其优点是调参（Tuning Parameters, TP）少、算法简单易于实现且实时性、可靠性好,但其缺点同样显著,尤其是自适应性比较差,当被控系统中的非线性、时变、耦合及不确定性复杂时,PID控制效果就会很差甚至失效。近年来虽然涌现了多种先进控制算法,但是,这些控制算法TP多、算法复杂、计算量大而不易实现,并且实时性和可靠性差,这是它们不易得到进一步应用的一个重要原因[19,20]。 诚然,航向自动舵从产生至今,它在保障航行安全、节能、降低船员劳动强度等方面所做的贡献是非常巨大、不可磨灭的!其出现可以说是人们在船舶运动自动控制发展史上的一个重要里程碑。但是,航向自动舵由于不能控制船舶航迹偏差而始终不能完全满足人们的预期要求。为了尽可能地缩短距离、节省时间、减少油耗,人们希望船舶能够沿着计划航线航行,即实现航迹控制。 随着能够提供实时船位信息的全球定位系统（Global Positioning System,GPS）的出现,进行高精度船舶航迹控制由梦想变成现实。20世纪80年代GPS系统开始提供商业化的定位服务,随着GPS等先进导航设备应用于船上,船舶航迹控制才真正在自动舵中得以实现。在上世纪90年代,船舶航迹控制就已经开始引起人们极大的关注,并很快成为当今船舶运动控制研究中的一个热点[1,5]。自此,人们开始探索各种航迹控制算法[1,21-26],以设计具有很好航迹保持或航迹跟踪能力的航迹自动舵。但是,航迹自动舵的发展也面临着与航向自动舵相同的问题,即,PID算法占主导、适用海情低、先进算法复杂不实用。 因此,研发具有很好控制性能、实时性和可靠性的实用先进智能航向/航迹自动舵控制算法,进一步研发能够大大提升适用海情的相关航海关键设备,以增大自动舵对复杂情况的可控（工作）范围,不仅仅在理论研究和应用研究方面具有非常重要的科学意义,而且对减少驾驶人员的繁复劳动、节能减排、减少人为因素造成的海上事故、清洁海洋等等具有重大的经济效益和实际意义! 2、大风浪中船舶航向/航迹智能控制方法研究 2.1 研究主要内容 （1）采用神经、模糊专家智能技术,结合动态面控制方法和最少学习参数算法,研究可靠性和实时性好的先进智能航向、航迹自动舵算法; （2）利用自抗扰控制,研究性能优良可靠、实时性强、可控范围大的船舶自动舵控制器; （3）计算机仿真检验有效性。 2.2 研究方法 2.2.1 解决的关键问题 考虑到复杂船舶动态和条件约束的航迹控制算法的性能保障问题。一方面,船舶动态具有大惯性、大时滞、强非线性、模型摄动显著、外扰复杂等特点,同时受到执行器饱和的限制（例如船舵,其有效工作舵角范围是在0-40度之间）,综合考虑上述影响因素的船舶运动控制设计问题一直是控制理论与控制工程领域的具有挑战性的难题。另一方面,当前船舶自动舵所采用的控制算法基本上都是PID（Proportion Integration Differentiation,比例-积分-微分）控制算法,其优点是调参（Tuning Parameters, TP）少、算法简单易于实现而实时性好、可靠性好;但其缺点同样显著,尤其是自适应性比较差。当被控系统中的非线性、时变、耦合及不确定性复杂时,PID控制效果就会很差甚至失效,不能满足复杂任务和海情需要。近年来虽然涌现了多种先进控制算法,但是,TP多、算法复杂计算量大而不易实现,实时性差,可靠性差,是它们不易得到进一步应用的一个重要原因。本项研究综合考虑上述因素的影响,重点解决了（1）当前先进理论控制算法的复杂性高、实时性差、不易工程实现的关键问题和（2）自动舵控制算法在大风浪环境中适用海情低的关键问题,研究具有很好控制性能、实时性和可靠性的航迹自动舵（Autopilot）控制算法,增大自动舵对复杂工况的可控（工作）范围,提升海情。 2.2.2 项目实施的具体内容及实施方案 （1）实用先进自动舵算法的研究 在申请人多年来在相关领域积累的深厚的理论及应用基础上,进一步研发了面向工程实践的先进智能船舶航向自动舵、船舶航迹自动舵控制算法,提出了不仅鲁棒性和自适应性性能优良,而且实用性和实时性强的自动舵控制算法,以便能满足大大提升实际海情的实际需要。项目实施的具体内容如下： 一方面,针对当前实际生产中船舶自动舵（Autopilot）算法的落后及现有理论算法的复杂性问题,考虑到船舶动态的复杂性和易受各种约束条件的限制,以Lyapunov-Krasovskii稳定性理论为基础,采用神经网络（Neural Network,NN）、模糊逻辑系统（Fuzzy Logic System,FLS）等先进控制理论和方法,考虑到船舶动态的复杂性以及实际中易受时滞、执行器饱和限制等因素的影响,研究具有很好鲁棒性、自适应性、可靠性和实时性的船舶航迹控制算法。 另一方面,研究基于自抗扰控制（ADRC）技术的船舶航迹控制器。自抗扰控制器（Active Disturbances Rejection Control, ADRC）是在继承经典 PID 控制“以误差消除误差”的思想精髓、不依赖对象模型的优点的基础上,通过改进经典 PID的固有缺陷而形成的新型控制技术。自抗扰控制技术的核心是把系统的未建模动态和未知的外扰作用都归结为对系统的扰动总和进行估计并给予补偿,进而采用特殊的非线性效应,开发出具有特殊功能的环节来组合出高品质的控制器。仿真研究和实际工程结果表明,自抗扰控制算法简单,易于操作,参数适应性广,即使在对象模型失配或遇到不确定性扰动作用时也能得到很好的控制效果,具有较强的抗干扰能力和良好的鲁棒性,而且对一定类型的对象具有通用性。 自抗扰控制器三部分组成：跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）、非线性反馈控制律（NLSEF）,其中 TD 安排过渡过程并提取其微分信号;ESO 估计对象状态和系统总的扰动作用;NLSEF 结合扰动估计量的补偿来生成控制信号。本文以二阶自抗扰控制器为例。 ADRC具有调参简单直观、控制能量小、鲁棒性和自适应性强、可控（工作）范围大的优点。因其被逐步认可的实用和高效优势,在美国的某些工程领域已经得到了成功的应用与验证,目前我国科学工作者已经开始对ADRC的良好品质给予越来越多的关注。本项研究对该方法在船舶运动控制工程应用方面进行深入、系统地研究,开发了性能优良可靠、实时性强的航向/航迹控制自动舵算法。 （2）仿真检验：通过计算机仿真,检验本课题提出的先进自动舵控制算法的有效性。 2.2.3 采取的技术路线 （1）结合船舶实际运动的高度非线性、长时滞、大惯性和执行器饱和限制等特点,以Lyapunov-Krasovskii稳定性理论为基础,采用神经网络（Neural Network,NN）和模糊逻辑系统（Fuzzy Logic System,FLS）智能控制方法,以及自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control,ADRC）等先进控制理论和方法,研究具有了很好鲁棒性、自适应性、可靠性和实时性强的船舶航向/航迹自动舵控制算法。然后通过计算机仿真和半实物仿真检验了所提出的先进自动舵控制算法的有效性和实用性。 （2）充分利用课题组成员的丰富实践经验,通过理论研究与实践经验的有机结合,获得预期成果。本课题组成员分别在控制理论及应用、船舶运动控制、船舶操纵理论研究等方面积累了较为深厚的工作基础和科研经验,而且还具有丰富的航海实践经验,其中两人船长资历、两人大副资历、一人二副资历、两人三副资历。 （3）通过国际学术交流加速了本项目的研究进展。申请人已与香港城市大学国际著名学者IEEE Fellow冯刚教授,香港中文大学国际著名学者IEEE Fellow王钧教授,IEEE智能计算协会主席、IEEE Fellow、美国俄克拉荷马州立大学Gary Yen教授,美国克里夫兰州立大学高志强教授建立了良好合作关系,本研究通过邀请境外专家来华讲学、申请国际合作研究项目及出国学术访问等形式进行学术交流与合作。 （4）加强与国内高校学术交流与合作,加速研究进展及提升研究成果水平。申请人多年来与上海交通大学船建学院的邹早建教授及辽宁工业大学的佟绍成教授的两个研究团队建立了长期稳定的合作关系;近年来又与大连理工大学、东北大学、山东大学、清华大学、中科院自动化所与系统所、华南理工大学、华中科技大学及武汉理工大学等国内高校建立了良好的学术交流与合作氛围。 2.3 研究创新点 （1）以Lyapunov-Krasovskii稳定性理论为基础,采用神经网络、模糊逻辑系统和自抗扰控制等先进智能控制理论和方法,解决了当前实际生产中船舶自动舵算法的落后及现有理论算法的复杂性、实时性差以及在实际通航中适用海情低等问题; （2）结合船舶实际运动的高度非线性、长时滞、大惯性和执行器饱和限制等特点,研究出具有很好鲁棒性、自适应性、可靠性和实时性强的船舶航向/航迹自动舵控制算法。 2.4取得主要成果 针对主要研究内容,本文首先进行了基于自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control,ADRC）和变结构滑模控制的自动舵鲁棒控制算法深入研究,提出了几种算法简单、鲁棒性和自适应性强的自动舵控制算法。这些算法不仅不依赖于被控对象模型,而且以主动抗扰取代传统PID控制方法的被动抗扰模式,将系统所受的内外总扰动统一实时处理,因而其鲁棒性和自适应性都明显增强。相关成果分别发表在国际检索期刊和学术会议上,并完成博士学位论文一篇： （D1）李荣辉,博士学位论文《欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究》,2013.06,大连海事大学。 （J1）Ronghui Li,