海上航行补给中舰艇接近过程的自动化控制问题研究∗

何 遥

（海军装备部 北京 100841）

1 引言

舰艇海上补给是对在海上航行或锚泊的舰艇进行装备、物资的补给［1］。通常由海上补给舰及舰载直升机组织实施。通过对舰艇进行燃油、淡水、食品、武器弹药、备品备件、维修器材等物资补给和人员的输送，可以扩大舰艇的作战范围，提高海上持续作战能力。按舰艇航行状态，补给分为海上航行补给、海上锚泊补给；按补给方法，分为海上航行横向补给、海上航行纵向补给、海上垂直补给（直升机补给）和海上锚泊并靠补给等。本文主要研究的是海上航行横向补给和纵向补给两种补给方式。

2 船位控制技术的发展现状

无论在军用还是民用领域，海上补给的关键技术核心在于船舶的船位控制技术，即动力定位系统（DP）技术［2］。自 20世纪 60年代动力定位系统（DP）技术投入应用以来，已经经历了3代产品。其主要功能是使在进行海上航行补给作业中的补给船能够跟踪接收船，两船在动力定位系统指挥下抵抗外界环境干扰，保持某一航向及相对固定的空间位置关系，实现安全、稳定的补给作业环境。良好的动力定位系统（DP）应具有不受海洋环境影响、定位准确迅速、快速响应海流、海风等天气变化的特点。动力定位系统通常划分成以下6个部分［3］，如图1所示。

图1 动力定位系统（DP）的组成

舰艇海上航行补给作业中补给环境复杂，对补给舰和接收舰运动时的航向及运动轨迹都有严格要求，比一般的船舶动力定位实现起来更困难，必须精准控制。目前，在理论研究领域包括有鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制、非线性模型预测控制和滑模控制等控制方法［3～5］，对现行的动力定位系统（DP）技术在定位精确性上进行了优化研究，但这些方法普遍的局限性在于难以客观地分析舰船在海面上的综合运动轨迹，包括由风、海流，一、二阶波浪力等共同引起的高、低频运动。本文采用“PID控制”方法，建立并设计基于“PID控制”原理的舰艇动力定位控制模块和结构模型，在方法上对舰艇补给时海平面内多个自由度上的运动实施综合控制。

3 PID控制器

在工程控制领域，“PID控制器”应用最为广泛，它由比例单元P、积分单元I及微分单元D组成［6］。该控制器原理如图2所示。

图2 PID控制器原理图

PID控制器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，从而对控制对象进行控制［7～9］。

1）控制器的微分方程为［10］

式中 e(t)=r(t)-c(t)。

2）控制器的传输函数为［11］

3）控制器各校正环节的作用包括

比例环节：控制器可成比例地反应控制系统的偏差信号e（t）。一旦产生偏差，控制器立即产生控制作用以减小偏差。

积分环节：主要用于提高系统的精度，消除静差。积分时间常数TI决定了积分作用的强弱，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。

微分环节：主要反应偏差信号的变化趋势，一旦偏差信号值变大且变化速率较快，可对系统发出有效的修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间［12］。

4 海上横向补给中舰艇接近自动化控制器设计

4.1 海上横向补给的特点及补给过程

横向补给是海上补给中主要的一种补给方式。补给时，补给舰和接收舰编成横队，保持同向同速航行。通过跨接于两舰间的横向补给装置，由补给舰向接收舰实施物资补充。横向补给有以下特点。

一是补给品种多，可以补给燃料、淡水、食物、备品备件等多种补给品，以满足各类型舰船的补给需要。

二是需要由专业舰船，即补给舰进行补给。补给时可在补给舰一舷向一艘接收舰补给；也可在两舷同时进行多舰补给。

三是补给时采用的索具和输油软管相对较短，位置处于海面之上，可在相对较高的航速下进行补给作业，且软管和补给装置对接和解脱方便，作业操作相对便捷［13］。

横向补给的难点在于，补给时两舰距离相对较近，其空间位置不能有大的变化，一旦操纵失误或机械发生故障，容易造成严重事故。因此，要求舰艇指挥员有较高的操纵水平。

在横向补给过程中，补给舰应不断地获取接收船的位置关系信息，使补给舰航行至接收舰附近。在补给舰靠近接收舰时，控制系统应调节和控制补给舰与接收舰同向同速，保持一定的补给间距航行，即保持两船相对静止状态。具体航行过程如图3所示。

图3 舰艇横向补给的并靠过程

4.2 舰艇航迹PID控制器控制模块

当进行横向补给时，可设定舰艇航迹PID控制器。航迹PID控制器会首先在系统内设定好与两舰横向补给中距离要求相适应的目标航线，以此作为给定航线。当补给舰与接受舰收到补给指令后，会根据各自现有的航迹，向目标航线调整，此时航迹PID控制器会不断调整两者之间的夹角ψ（图3所示），直至ψ角变为0°时，两船便均进入目标航迹，达到相向而行。其控制模块原理如图4所示。

图4 航迹PID控制模块

4.3 舰艇角度PID控制器控制模块

在航迹PID控制器进行航向调整的同时，还应设定舰艇角度PID控制器。自动化控制系统应根据导航系统传输的两舰具体坐标，判断出船体的相对位置，从而对船速进行控制。舰艇导航系统通过计算出两舰船体中心的夹角θ（图3所示），角度PID控制器进而会根据θ与0°间的偏差，不断输出指令至动力系统，通过调整航速使θ角接近为0，从而使两舰同向同速，达到横向补给的条件。其控制模块原理如图5所示。

图5 角度PID控制模块

在以经纬度为基础的地球坐标系中，两舰通过卫星导航系统不断获得航向和经纬坐标等信息，从而得到PID控制器的输入误差值ψ和θ，两者分别满足以下关系：

航迹与角度控制器通过对误差信息的处理，不断作出调整，同时将纠偏量反馈回来，通过执行机构完成自动化控制过程。如图6所示，被控量为夹角，随着时间的变化，角度不断缩小，最终在角度PID控制器的作用下，趋于稳定，实现两舰的同向同速，如图6所示。

图6 角度PID控制器控制效果示意图

4.4 横向补给自动化控制系统结构模型

在横向补给中，由于控制对象是水面舰艇，所以动力定位系统主要反映舰艇在水平面内的纵向和横向运动。在补给作业中，补给舰与接收舰需要同时进行航向和航速的调整，动力定位的运动控制系统应设计两个独立的控制器，即前文所述的航迹PID控制器和角度PID控制器，从而分别控制舰艇在两个状态上的运动。舰艇横向补给自动化控制系统结构模型原理如图7所示。

图7 横向补给接近过程自动化控制系统结构模型

该系统中，航迹PID控制器的输入为舰艇即时航向与目标航向的偏差，输出为方向舵指令。角度PID控制器的输入为补给舰中心连线与航向垂线之间的夹角，输出为速度控制指令。在该自动化控制系统作用下的舰艇速度会经历从加速阶段，到在最大经济航速下的匀速阶段，靠近后不断减速，最终以同样的速度相向航行，保持相对静止。具体过程如图8所示。

图8 自动化控制系统输出指令控制下的舰艇航速示意图

5 海上纵向补给中舰艇接近自动化控制器设计

5.1 海上纵向补给的特点及补给过程

纵向补给是应用最早的补给方法。补给时，补给舰和接收舰编成纵队，保持同向同速航行。通过跨接于两舰间的纵向补给装置，由补给舰向接收舰船实施液货补充。纵向补给有以下特点。

一是补给品种少，主要用于液货，即燃料、淡水、液体物品等的补给。

二是补给装置简单，补给时舰船之间不容易发生碰撞，操纵相对简单，能在较恶劣的海况下进行作业。

纵向补给的不足在于，只能补给液货、输油（液）软管较长，而且浸于水中，增加了舰船运动的阻力。传递和捞收油（液）软管较为繁琐，机动性较差，不宜于在作战情况下进行。因此，纵向补给应尽可能缩减补给时间，通过自动化控制，快速到达补给位置，争取战场主动权。

与横向补给过程不同，纵向补给并不需要补给舰与接收舰保持位置平行，两者只需要处于同一航线即可。补给时，两舰不断向预定航线靠近，最终实现同向同速，保持一定的间距进行补给作业。具体过程如图9所示。

图9 舰艇纵向补给的接近过程

5.2 舰艇距离PID控制器控制模块

当进行纵向补给时，与横向补给相同，也应设定舰艇航迹PID控制器。此时航迹PID控制器会不断调整两者之间的夹角Ψ，直至Ψ角变为0°，达到补给作业条件。不同的是，两船进入的目标航线为同一航线，还应设定距离PID控制器。自动化控制系统应根据导航系统传输的两舰的具体坐标，计算出两船船体中心的距离R，距离PID控制器进而会根据R与目标距离R0间的偏差，不断输出指令至动力系统，通过调整航速使R接近为R0，从而使两舰同向同速，达到纵向补给的条件。其控制模块原理如图10所示。

图10 距离PID控制模块

在以经纬度为基础的地球坐标系中，两舰通过卫星导航系统不断获得航向和经纬坐标等信息，从而得到PID控制器的输入误差值ψ和R，两者分别满足以下关系：

其中，T0为共同的目标航线，ψ1、ψ2分别为两舰当前航向与目标航线的夹角，R为两舰之间的距离（其中，R的单位为海里；Y1、Y2的单位为度，经上述换算后转化为距离）。如图11所示，被控量为距离，随着时间的变化，距离不断缩小，最终在距离PID控制器的作用下，趋于稳定，实现两舰的同向同速。

图11 距离PID控制器控制效果示意图

与横向补给中角度PID作用效果一样，距离PID控制器的输出指令仍为螺旋桨或舰船主机转速。通过自动化控制系统对距离的控制，来调整转速，以航速变化来实现对距离的反馈调节，最终实现两舰同航迹同速度。

5.3 纵向补给自动化控制系统结构模型

与横向补给相比，纵向补给控制量相对简单。在保留航迹PID控制器基础上，由于纵向补给的特点，角度PID控制器已经不再适用，以距离PID控制器代替，但控制的输出要素不变，仍然分别为方向舵指令和速度控制指令。在补给作业中，补给舰与接收舰同时进行航向和航速的调整，动力定位的运动控制系统仍应设计两个独立的控制器，分别控制舰艇在两个状态上的运动。其系统结构原理如图12所示。

图12 纵向补给接近过程自动化控制系统结构模型

该系统中，航迹PID控制器的输入为舰艇即时航向与目标航线的偏差，输出为方向舵指令。距离PID控制器的输入为补给舰中心连线之间的实际距离与目标距离的偏差，输出为速度控制指令。

6 结语

本文以舰艇海上航行补给的自动化控制系统为研究背景，针对舰艇航迹、角度及距离控制进行了基础研究。建立了基于PID控制原理的舰艇航迹、角度和距离自动化控制模块，并分别设计了基于PID控制原理的舰艇横向、纵向补给自动化控制系统，为更好地实现PID控制原理在舰艇海上航行补给的应用奠定了基础。