CN105334854A - 应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置及方法。微分跟踪器用于实现对目标信号及其各阶微分信号的光滑逼近，扩张状态观测器用于实际航向和橫倾的观测并对外界扰动进行补偿，比较器用于得到航向偏差和横倾偏差，航向控制器用于得到航向通道控制指令，横倾控制器用于得到横倾通道控制指令，解算模块将两个通道的控制指令解耦出来，分别用于执行机构空气舵和艏喷管的控制。具有结构简单，思路清晰，结果明显等特点。利用状态观测器对系统的扰动进行估计并加以补偿，大大增加了其应用的范围。

Description

应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置及方法

技术领域

本发明涉及了的是一种气垫船的航向横倾解耦控制装置及方法，用于由空气舵和艏喷管所组成的气垫船耦合控制系统。

背景技术

横倾角是全垫升气垫船的重要航行指标，船体做横倾运动时，气垫内高压空气的侧向泄流，会伴有较大的侧漂力，进而造成大角度侧滑。同时，气垫船在航行时，由空气舵提供的转艏力矩也会对横倾角产生影响，而控制横倾角的艏喷管提供的横倾力矩也会对气垫船的艏向产生影响。因此，对于气垫船航行自动驾控系统，为了保证控制精度和安全性，需要对航向、横倾两个方向同时控制，这就需要解决这两个通道耦合的问题。

目前，多通道解耦控制问题还是控制领域的一个难点，很多控制方法都需要有精确的数学模型，这在实际控制中是很难做到的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高气垫船的航向控制精度和自动驾控航行的安全性，减轻驾驶人员的工作强度和精神负担，提高操控水平和航行稳定性的应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置。本发明的目的还在于提供一种应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制方法。

本发明的应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置主要包括微分跟踪器、扩张状态观测器、比较器、航向控制器、横倾控制器和解算模块，微分跟踪器(TD)用于实现对目标信号及其各阶微分信号的光滑逼近，扩张状态观测器(ESO)用于实际航向和橫倾的观测并对外界扰动进行补偿，比较器用于得到航向偏差和横倾偏差，航向控制器用于得到航向通道控制指令，横倾控制器用于得到横倾通道控制指令，解算模块将两个通道的控制指令解耦出来，分别用于执行机构空气舵和艏喷管的控制。

本发明的应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制方法包括如下步骤：

(1)设定期望的航向角v_ψ和横倾角

(2)通过扩张状态观测器估计当前状态的航向角及航向角微分值z_ψ1、z_ψ2，横倾角及横倾角微分值

(3)由航向微分跟踪器得到期望航向角的跟踪值和微分值v_ψ1、v_ψ2，由横倾微分跟踪器得到期望横倾角的跟踪值和微分值

(4)由比较器得到航向偏差e_z1、e_z2，横倾偏差

(5)由航向偏差通过非线性误差反馈航向控制器，并经过扩张状态观测器的补偿，得到航道虚拟控制指令U_ψ；由横倾偏差通过非线性误差反馈横倾控制器，并经过扩张状态观测器的补偿，得到横倾控制通道虚拟控制指令

(6)将航道虚拟控制指令U_ψ、横倾控制通道虚拟控制指令通过解算模块B^-1得到实际的航向角控制指令u_ψ、横倾角控制指令

(7)将实际的航向角控制指令u_ψ发送给执行机构空气舵，将实际的横倾角控制指令发送给执行机构艏喷管，如果没有达到期望值则转到步骤(2)。

本发明的气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置，跟踪微分器安排过度过程，实现对目标信号及其各阶微分信号的光滑逼近，可以最快跟踪航向偏差和横倾偏差；包含了两个控制器，分别对航向控制通道和横倾控制通道进行控制；包含一个解算模块，其输入是航向控制器和横倾控制器的输出，这两个耦合的控制量通过解算模块，得到控制指令分别用于执行机构空气舵和艏喷管的控制。由于两个控制器与解算模块的配合，航向控制通道的控制器通过航向偏差对航向进行控制，横倾控制通道的横倾控制器通过横倾偏差对横倾角进行控制。最终实现一个输入对应一个输出的控制效果。

本发明采用不依赖系统精确模型的自控自抗扰解耦控制算法，借用扩张状态观测器对系统的扰动进行估计，然后进行补偿，以实现航向—横倾的解耦控制。

本发明采用的是自抗扰控制方法，原理如下：

设计虚拟控制律

$\left\{\begin{array}{c}{f}_h=fan(v_{\mathrm{\ψ}1}-v_{\mathrm{\ψ}},v_{\mathrm{\ψ}2},r_{\mathrm{\ψ}0},h)\\ v_{\mathrm{\ψ}1}=v_{\mathrm{\ψ}1}+{\mathrm{hv}}_{\mathrm{\ψ}2}\\ v_{\mathrm{\ψ}2}=v_{\mathrm{\ψ}2}+{\mathrm{hf}}_h\\ e_{\mathrm{\ψ}0}=z_{\mathrm{\ψ}1}-y_1\\ {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{\ψ}1}=z_{\mathrm{\ψ}2}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ψ}1}fal(e_{\mathrm{\ψ}0},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ψ}1},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ψ}1})\\ {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{\ψ}2}=z_{\mathrm{\ψ}3}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ψ}2}fal(e_{\mathrm{\ψ}0},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ψ}2},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ψ}2})+b_{\mathrm{\ψ}}{U}_{\mathrm{\ψ}}\\ {\stackrel{\·}{z}}_{\mathrm{\ψ}3}=-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\ψ}3}fal(e_{\mathrm{\ψ}0},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ψ}3},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ψ}3})\\ e_{\mathrm{\ψ}1}=v_{\mathrm{\ψ}1}-z_{\mathrm{\ψ}1}\\ e_{\mathrm{\ψ}2}=v_{\mathrm{\ψ}2}-z_{\mathrm{\ψ}2}\\ U_{\mathrm{\ψ}}=C_{\mathrm{\ψ}1}fal(e_{\mathrm{\ψ}1},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ψ}4},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ψ}4})+C_{\mathrm{\ψ}2}fal(e_{\mathrm{\ψ}2},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ψ}5},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ψ}5})\\ u_{\mathrm{\ψ}}=U_{\mathrm{\ψ}}-\frac{z_{\mathrm{\ψ}3}}{b_{\mathrm{\ψ}}}\end{array}\right.$

其中

$fan(x_1,x_2,r,h)=\left\{\begin{array}{c}d=rh\\ d_0=hd\\ y=x_1\left(k\right)-v\left(k\right)+{\mathrm{hx}}_2\left(k\right)\\ a_0=\sqrt{d^2+8r\left|y\right|}\\ a=\left\{\begin{array}{cc}{x}_2+\frac{(a_0-d)}{2}sign\left(y\right),& \left|y\right|>d_0\\ x_2+\frac{y}{h},& \left|y\right|\≤d_0\end{array}\right.\\ fan(x_1,x_2,r,h)=\left\{\begin{array}{cc}-rsign\left(a\right),& \left|a\right|>d\\ -r\frac{a}{d},& \left|a\right|\≤d_0\end{array}\right.\end{array}\right.$

$fal(e,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\left|e{|}^{\mathrm{\α}}sign\right(e),|e|>\mathrm{\δ}\\ x/{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}},\left|e\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，x₁、x₂分别对应气垫船的艏向角和回转率；x₃、x₄分别对应气垫船的横倾角和横倾角速度；y₁、y₂分别为控制器的输出航向角和横倾角；u_ψ、分别对应航向控制通道和横倾控制通道的实际控制指令；v_ψ、分别对应期望的航向角和横倾角；v_ψ1、v_ψ2为期望航向角的跟踪值与微分值；为期望横倾的跟踪值与微分值；e_ψ1、e_ψ2分别对应航向角偏差及其微分值；分别对应横倾角偏差及其微分值；z_ψ1、z_ψ2、分别对应x₁、x₂、x₃、x₄的估计值；U_ψ、分别为航向控制通道和横倾控制通道的虚拟控制指令；u_ψ、分别为航向控制通道和横倾控制通道的实际控制指令。r是跟踪微分器的快速因子，h为步长；α、δ为滤波参数。

采用自抗扰解耦控制的优点：

对于多变量耦合的系统，解耦控制方法用很多种，但最终都是为了转化成为一个输入对应一个输出的形式。自抗扰解耦控制方法相对其它智能解耦算法，具有结构简单，思路清晰，结果明显等特点。最重要的是，它不依赖系统精确的数学模型，可以利用状态观测器对系统的扰动进行估计并加以补偿，大大增加了其应用的范围。另外，自抗扰算法是一PID调节器为基础改进而来的，更容易为工程人员接受。

附图说明

图1气垫船航向与横倾的解耦控制装置原理框图。

图2气垫船航向与横倾的解耦控制方法流程图。

图3a-图3d是气垫船航向控制与航向-横倾解耦控制仿真曲线，其中图3a是艏向角变化曲线；图3b是回转率变化曲线；图3c是侧滑角变化曲线；图3d是横倾角变化曲线。

图4a-图4b是气垫船舵角与艏喷管角仿真曲线，其中图4a是舵角变化曲线；图4b是艏喷管角变化曲线。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置，主要包括微分跟踪器、扩张状态观测器、比较器、航向控制器、横倾控制器和解算模块。

1、微分跟踪器，用于实现对目标信号及其各阶微分信号的光滑逼近，近似微分信号的准确提取可以有效地提高控制效率。

2、扩张状态观测器，航向控制通道中用于实际航向角和回转率的观测，橫倾控制通道中用于横倾角和其变化率的观测，代替了传感器测量，解决了某些参数的不可测性，并对外界扰动进行观测对控制器加以补偿，提高了控制精度。

3、比较器，期望航向与扩张状态观测器当前的实际航向进行比较得到航向偏差及其导数；期望横倾角与扩张状态观测器当前实际横倾角进行比较得到橫倾偏差及其导数。

4、航向控制器，根据航向偏差和偏差变化率通过非线性状态误差反馈控制(NLSEF)得出航向控制通道的控制量，输出控制量为舵角的函数。

5、橫倾控制器，根据橫倾偏差和偏差变化率通过非线性状态误差反馈控制得出橫倾控制通道的控制量，输出控制量为喷管角的函数。

6、解算模块，输入是航向控制器和横倾控制器的输出，这两个耦合的控制量通过解算模块，得到控制指令分别用于执行机构空气舵和艏喷管。

结合图2，本发明的气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制方法步骤如下：

1.设定期望的航向角v_ψ和横倾角

2.通过扩张状态观测器估计当前状态的航向角及其微分值z_ψ1、z_ψ2，横倾角及其微分值

3.由航向跟踪微分器得到期望航向角的跟踪值和微分值v_ψ1、v_ψ2，由横倾跟踪微分器得到期望横倾角的跟踪值和微分值

4.由比较器得到航向偏差e_z1、e_z2，横倾偏差

5.由航向偏差通过非线性误差反馈控制器，并经过扩张状态观测器的补偿，得到航道虚拟控制指令U_ψ，同理，得到横倾控制通道虚拟控制指令

6.将U_ψ、通过解算模块B^-1可以得到实际的控制指令u_ψ、

7.将实际的航向角控制指令u_ψ发送给执行机构空气舵，将实际的横倾角控制指令发送给执行机构艏喷管，如果没有达到期望值则转到步骤2。

本发明用于由空气舵和艏喷管所组成的气垫船耦合控制系统。在气垫船航行时，期望的航向角是已知的，航向比较器将当前航向和期望航向进行比较得到航向偏差，航向控制器根据航向偏差解算出航向通道控制指令。同时，横倾比较器将当前横倾角和期望横倾角进行比较得到横倾偏差，横倾控制器据横倾偏差解算出横倾通道控制指令。最终，两个指令通过一个解算模块，分别得到空气舵角控制指令和艏喷角控制指令，然后将它们发送给空气舵系统和艏喷管系统发。本发明的解耦控制系统，只是对控制算法进行优化，不需要增加硬件成本，就可以提高气垫船的航行控制精度和安全性能。

为了验证上述控制算法，用C++编写气垫船航向横倾解耦控制程序,进行实验室仿真。图3、图4为实验室仿真结果曲线，在仿真过程中，螺旋桨螺距角保持固定不变，艏喷管初始时刻处于关闭状态，左右舷艏喷管角均为180°。设定初始航速为30kn，初始艏向0°。仿真环境为平均风速10m/s，主风向为90°，航向期望为20°，横倾角期望为0°。由图3可知，与PID控制相比，航向—横倾解耦控制有明显的优势。由于解耦控制明显减小了航行时的横倾角，因而气垫船航行时的侧滑角比仅有PID控制时小了大约3度，提高了航行的安全性，同时也改善了回转率特性。由图4舵角、艏喷角变化曲线可知，虽然解耦控制过程中两种执行机构同时工作，但航向控制通道与横倾控制通道无明显的控制耦合现象。综上，所设计航向-横倾解耦控制算法，改善了全垫升气垫船航向、横倾控制品质，使其航向更加安全。

Claims (2)

1.一种应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制装置，其特征是主要包括微分跟踪器、扩张状态观测器、比较器、航向控制器、横倾控制器和解算模块，微分跟踪器用于实现对目标信号及其各阶微分信号的光滑逼近，扩张状态观测器用于实际航向和橫倾的观测并对外界扰动进行补偿，比较器用于得到航向偏差和横倾偏差，航向控制器用于得到航向通道控制指令，横倾控制器用于得到横倾通道控制指令，解算模块将两个通道的控制指令解耦出来，分别用于执行机构空气舵和艏喷管的控制。

2.一种应用于气垫船航向控制与横倾控制的解耦控制方法，其特征是包括如下步骤：

(1)设定期望的航向角v_ψ和横倾角

(2)通过扩张状态观测器估计当前状态的航向角及航向角微分值z_ψ1、z_ψ2，横倾角及横倾角微分值

(3)由航向微分跟踪器得到期望航向角的跟踪值和微分值v_ψ1、v_ψ2，由横倾微分跟踪器得到期望横倾角的跟踪值和微分值

(4)由比较器得到航向偏差e_z1、e_z2，横倾偏差

(5)由航向偏差通过非线性误差反馈航向控制器，并经过扩张状态观测器的补偿，得到航道虚拟控制指令U_ψ；由横倾偏差通过非线性误差反馈横倾控制器，并经过扩张状态观测器的补偿，得到横倾控制通道虚拟控制指令

(6)将航道虚拟控制指令U_ψ、横倾控制通道虚拟控制指令通过解算模块B^-1得到实际的航向角控制指令u_ψ、横倾角控制指令

(7)将实际的航向角控制指令u_ψ发送给执行机构空气舵，将实际的横倾角控制指令发送给执行机构艏喷管，如果没有达到期望值则转到步骤(2)。