一种考虑磁滞特性的船舶航向保持控制策略

2020-03-17张颖睿

黑龙江交通科技 2020年2期

张颖睿

(大连海事大学，辽宁大连 116000)

0 引言

有关船舶的运动控制一直是控制领域的热点问题。航向保持问题则是船舶控制领域一个重要的研究方向。传统的船舶保持控制算法为PID控制和自适应控制两种。近些年，随着控制理论的进一步完善和发展，新兴了许多控制算法。诸如模糊控制，神经网络控制，变结构控制等等。而多数的研究却较少考虑磁滞这一非线性特性，导致理论分析与实际的结果之间存在一定程度的偏差。

磁滞问题普遍存在于非线性系统中，总结近些年的研究，磁滞非线性模型大致可分为三种：Prandtl-Ishlinskii模型(PI模型)，Preisach模型以及神经网络模型。目前，对非线性系统进行磁滞补偿的方法主要是两种：一种是基于磁滞逆模型的磁滞补偿控制方法，一种是无需构造逆模型的磁滞补偿方法。本文采取第二种方法无需构造逆模型对船舶运动系统中存在的磁滞特性进行补偿，由文献受到启发，设计了一种针对船舶航向保持的鲁棒自适应控制策略。进一步对闭环控制系统运用lyapunov理论证明了其具有全局稳定性，从最后的仿真分析中可以看到，该控制器的设计对整个闭环系统磁滞磁滞性起到了良好的抑制作用。

1 磁滞补偿控制方法选型

依照以下顺序β，p，r，φ，δa，δr，耦合方程排序。β，p，r，φ输出量在左侧，输入量δa，δr在右侧。

(1)

修正导数法，如下

可知

(2)

动力学导数如下：

动力学导数(侧向力方程)

如下，矩阵方程

(3)

对于船舶受到磁滞影响性的稳定性的分析，在不进行外部操作影响情况下，x(0)≠0。此时，受磁滞的稳定性取决于矩阵的特征向量以及特征值。从结果中可以发现，控制器的设计对于磁滞非线性的影响起到了有效的抑制作用。

2 考虑磁滞特性的船舶航向保持控制器设计

对于非线性磁滞算子H(V[t])，可以通过分解方法，达到对不需要运用逆模型的磁滞补偿控制器进行设计的目的。将非线性的磁滞算子做线性部分K与非线性部分d的分解。

可知，

〈0

(4)

该矩阵为系统鲁棒控制器，其中Si>0。

3 仿真分析

在对仿真模型中设置模块中的触发角进行调节时，应该对其变化情况a=110，125，140，160进行轮流的设置，同时将稳定状态下的电流仿真波形和电流计算的具体数值进行比较。

本研究利用仿真技术对所研究的磁滞问题进行检验。建立一独立螺旋桨，具有一定速度的船舶仿真。其中死区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，时间常数z0是0.25 s。为了模拟海风(常值)以及海流扰动，需要在舵角处叠加-3°。本研究为了减少航向角测量误差，以及测量方便，使用了罗经测量方法。根据验证，其对航向角的测量误差范围小于0.1°。对实际舵角进行测量时采用了舵角传感器，其误差保持在0.03以内，在仿真过程中进行噪声的测量时运用了对应幅值的零均值高斯白噪声进行模拟测量。舵角设定为0°。观测器的偏移时间常数、截止频率、初始值分别为1 000 s、1.1、0.8 rad/s。

从仿真结果中可以看出，控制结果在不同的航速下，都比较好，同时各参数之间都具有良好的收敛性，在模型参数的变动上，控制算法都能够对其进行适应，所以可以认为，自适应反步输出反力，实现了磁滞特性船舶航向设计有限时间的控制。