关于ADRC的船舶主机控制器设计以及仿真分析

曹镝

摘 要：随着现代机械工业的不断发展，船舶航向运动系统所具有的不确定性和非线性特征越来越明显，自动舵执行能力产生的约束作用、流、浪以及风的影响力也较为明显，从而导致航向控制器的设计工作存在一定的难度，文章主要对ADRC船舶主机控制器的设计原理进行分析和探讨，并提出针对性的设计原则。通过对仿真结果的分析和探讨，不难发现这种控制器对于船舶的实际航向运动所具有的环境、参数不确定性和非线性等控制对象的变化有着显著的指导，航向切换过程中的平滑、快速以及操舵量相对较少，从而可以快速精确地获得控制保持。

关键词：船舶主机控制器；设计工作；仿真分析

引言

船舶交通在当今社会经济发展过程中承担着将近90%的国际贸易运输工作需求，海上交通的密集程度也随着经济发展不断进步，从而航行工作需要达到更高的经济性和安全性的要求，做好船舶的航行控制工作则显得较为重要。船舶在实际航行过程中，还会受到风力因素对船舶产生的附加变动风力以及均风力的影响。在最近几年的社会发展中，自动化配合智能化船舶的发展相对较快，但是，受到船舶运动所表现的复杂性影响，船舶运动所表现出的智能控制问题无法得到很好的解决，目前很多船舶航向的控制器主要还是使用自适应控制以及PID控制方法，其控制效果和应用范围无法满足船舶智能化提出的要求。自抗扰控制技术属于不通过系统模型的一种全新控制技术，它不仅能够评估系统运行过程中所受到的各种内扰或者外扰作用，还能够有效地对其进行补偿，这种特殊性的非线性反馈结构具有显著的控制品质，具有响应快、超调小、抗干扰能力强、算法简单等优势，还能够保证数字化工作更好地实现。

1 船舶航向所形成的非线性系统模型分析

船舶所形成的航向运动控制系统结构如图1所示：

船舶运动可以通过状态空间模型来对其加以表述，还可以利用输入-输出模型来分析。从船舶的运动动态几个主要脉络来获得微分方程，从而保留原始传统的非线性各个影响因素，其中较为简单的一种响应模型表现为Nomoto模型，具体如下所示：

因为船舶的航向运动具有非线性特征，其模型参数也会随着航速、水深、装载质量的变化而产生摄动，风、流以及浪所产生的扰动作用也会让船舶的航向受到影响，航向控制的主要执行器的舵机机构属于动态的一个系统，具有最大操舵角速率和最大操舵角的限制。

2 自抗扰控制原理以及向航自抗扰控制器设计措施

对于存在未知扰动的n阶SISO非线性不确定控对象方程式表示为：

x（n）=f（x，x，…，x（n-1），t）+w（t）+b（t）u

其中，方程式中的w（t）表示为一种对象外部的扰动，其中的u作为一个控制量，b（t）则表示控制放大的具体系数，通过跟踪微分器和扩张状态观测器，配合非线性状态误差的实际反馈控制步骤来构造出具体的非线性自抗扰控制器。这种自抗扰控制器是由ESO、TD以及NISEF等部件构成，其中的TD主要发挥着安排和过度的过程，从根本上实现对系统输入信号进行快速、无超调地跟踪，并给出相应的微分信号。ESO则是对整个系统的模型、状态以及外绕加以评估，属于自抗扰控制器的主要构成要素，ESO则是把各种位置的外扰非线性不确定对象及时反馈给积分器串联型，从而设计出较为理想的状态误差反馈控制器，并对这种误差反馈通过有效科学的方式来进行非线性配置，保证这种非线性状态误差的反馈控制律能够得以实现。要想能够从根本上实现上述的船舶航向运动系统的设计，按照常规的方法来分析，大都会设计成双环航向控制系统，其中的ADCR1（2阶）则是船舶系统的控制器，ADRC2（1阶）作为舵机机构的一个控制器。根据从内环到外环的设计原则和设计顺序来对控制器的参数加以整定，其中的ADRC2一共有11个参数，而ADRC1则有15个不同的参数，整个设计难度相对较大（图2）。

从船舶航向控制器的实际设计角度来分析，整个设计工作的主要目的就是能够跟踪船舶的航向并保持准确，所以，把船舶的运动数学模型以及舵机机构模型当成一个统一的整体，保证控制器的设计工作以及设计步骤能够得以简化。

3 结束语

从ADRC船舶主机控制器设计和仿真结果来分析，不难发现立足于ADRC设计的传播航向非线性系统控制器能够对船舶非线性特征、参数的固定值摄动、系统综合扰动以及随机摄动等各种不確定性特征有着显著的鲁棒性，航向切换控制过程具有平滑、快速、操舵需求能量小、航向精度高、参数适应性相对较广等特点和优势，属于相对理想的一种航向控制系统。

在设计船舶航向小角度时，其航向相应不存在任何超调的问题，但是，整个相应速度相对较慢，其主要原因是设计的航向过渡过程的安排工作采取了定值的方法，为了能够保证航向在不同角度的具体相应特性得以协调，可以通过不同的方式来对角度加以设定，选择合适的h、r数值。

自抗扰控制技术（简称：ADRC）属于不通过系统模型得以实现的新型控制技术，能够对系统运行过程中受到的不同内扰和外扰作用加以补偿和评估，并且结合这种特殊的非线性反馈结构来达到显著的控制要求，具有响应快、超调小、算法简单、抗干扰能力强、精度高等特征，从而保证数字化过程得以实现。

参考文献

[1]潘为刚，李贻斌.优化自抗扰控制器在船舶主机上的应用与仿真研究[J].内燃机工程，2012，5：74-78.

[2]郭敏.基于理论的船舶主机冷却水控制系统的设计[J].武汉船舶职业技术学院学报，2013，3：12-16.