王勇



自抗扰控制在船舶自动舵上的应用

王勇

（青岛远洋船员职业学院航海系，山东青岛 266071）

本文回顾了船舶自动舵的发展历程，分析了传统自动舵在应用上的不足之处。同时介绍了自抗扰控制器的原理，尝试利用自抗扰技术设计出更理想的船舶自动舵系统。

自动舵 发展 自抗扰控制 原理

0 引言

海运一直被视为最经济的运输方式。频繁的海运就要求船舶航行具备更好的安全性和经济性。船舶在海运和开发资源的过程中起到了不可替代的作用，而船舶是借助螺旋桨的推力和舵力来控制其运动的，因此，对控制船舶运动的操舵系统的研究也就成为了一个重要的课题。自1922年第一台自动舵问世到今天，它代替传统的人力操舵减轻了舵手的劳动强度，节约了燃料，降低了机械磨损。船舶航行时，在相同的航行条件下，可以减少偏航次数和偏航值，从而提高实际航速，缩短航程和航行时间，节省燃料，提高航行的经济效益。

1 自动舵的发展历程

船舶自动操舵仪（自动舵）是控制船舶航向的重要装置。他是一个闭环系统，包括：航向给定环节、航向检测环节、给定航向与实际航向比较环节、航向偏差与舵角反馈比较环节、控制器、执行机构、舵、舵角反馈机构等。

自动舵的发展可以大致分为四个发展阶段：即机械式自动舵、PID自动舵、自适应自动舵和智能自动舵。

19世纪20年代德国的Aushutz和美国的Sperry分别研制出了第一代自动舵系统。该自动舵系统是自动舵的雏形，以机械结构为基础，采用“比例（P)控制”方法，仅能对航向进行初步控制，此自动舵的使用降低了人员的劳动强度。但“比例控制”法用于大型船舶的效果并不理想，因为高控制增益会造成航行振荡，使船舶在设定的航向两边来回摆动，结果使自动舵的转动部分过度磨损，加大了燃料的消耗。

1949年，由Schiff等人在“比例控制”方法的基础上引入了速率控制的概念，即速率控制与偏航角的微分成正比，这种方法称为“比例和微分（PD)控制”方法。这种方法使船舶航行时的偏舵角与偏航角及偏速率相关，在自动操舵时航向的准确性得到了提高。1972年，由Bech等人在PD控制系统中加入低频滤波器，使船舶在保持航向稳定时减少舵机的高频运动。实际上就是在PD控制系统上加入了积分器(I)，所以具有这种形式的控制器称作比例-微分-积分控制器，即PID控制器。其中的积分环节依靠累计偏航角值，使舵叶自动产生偏转角度，形成恒定的转船力矩，抵消外界因素造成的持续力矩的影响。由于PID控制器具有结构简单、参数调整方便、鲁棒性强等特点，在上世纪八十年代以前，PID控制的自动舵几乎占据了所有的自动舵市场。这种自动舵被称为第二代自动舵。但第二代自动舵仍然有许多缺陷，因为它依赖于船舶的确定数学模型。而船舶的运动特性和扰动特性受外界因素影响明显，所以船舶的运动数学模型与扰动模型都具有明显的不确定性。因此第二代自动舵不能自动适应外界因素的变化，而PID参数也无法随着航行情况的变化进行适当的调整，具体表现为操舵频繁、操舵幅度大等，对舵机造成严重的磨损。

20世纪70年代，伴随着海运事业的蓬勃发展，船舶的吨位急剧上升，造成船舶操纵难度加大，增加了航行时的危险性。为此，人们开始求助现代控制理论，针对PID舵存在的问题，提出了自适应控制方案。早期的自适应自动舵控制法是1975年由Oldenburg等人提出的，采用直接推断法对PID舵进行修正。1977年，Kallslrom和Astrom提出了自校正自适应控制法。1982年，VanAmerongen提出了模型参考自适应控制理论。1990年Fairbairn和Grimble将鲁棒控制设计法应用到了自动舵上。最终经过计算机仿真和实船测试，船舶自适应控制方案获得了成功，一种既能够适应复杂的海上环境，又能使船在高速航行下保证安全性的新型自动舵应运而生。这就是第三代自动舵。但是自适应控制方法受价值函数中的参数和动力学环境干扰的模型试验影响，无法在船舶所处的复杂环境中提供最佳、全面的自动调节方法。

20世纪80年代，随着科技的发展，科学技术在人工智能方面也有了长足的发展。人们开始着手研究“人工智能操舵系统”，这就是第四代自动舵，即智能舵。智能舵主要有以下三种控制方法：即专家级智能系统、模拟逻辑控制器和神经网络控制器，专家系统借助计算机开发新的数学模型，它有别于参数识别的物理模型。模糊逻辑控制器则是将接收到的性能参数以矩阵格式形成控制规则。神经网络控制器最简单的方法是利用神经网络的学习功能模仿在各种复杂环境下PID自动舵的操舵动作，当学习结束后，神经网络控制器便可独立执行操舵功能，从而达到取代PID自动舵的目的。

近年来，随着计算机技术和现代控制理论的不断发展，各种新的控制算法，如变结构控制、鲁棒控制、预测控制、精确反馈线性化、反步法等又相继应用于船舶航向控制，取得了一定的进展。但也暴露了这些算法存在的一些问题，如变结构控制存在抖振；鲁棒控制、广义预测控制、精确反馈线性化、反步法等对被控对象模型要求较高，算法不易被工程设计人员掌握等缺点。

2 自抗扰控制器的原理

自抗扰控制器（ADRC）是在对传统PID控制器进行分析和改进的基础上发展起来的。针对PID控制的局限性，构造出非线性PID控制器，在根据反馈线性化原理，设计出能动态估计模型内扰和外扰的状态观测器，从而构造出这种新型的非线性控制器。它继承了PID不依赖于被控对象精确数学模型的优点，同时具有无需测量系统的扰动、算法简单、容易实现解耦控制等优点。

自抗扰控制器是在反馈线性化的基础上设计的新型控制器，由过渡过程(TD)、扩张状态观测器 (ESO)、非线性误差反馈控制律(NLSEF)三部分组成。二阶自抗扰控制器的结构如图1所示。

图1 二阶自抗扰控制器的结构图

跟踪微分器具有跟踪和提取微分的作用，它能很好的对输入信号进行跟踪和平滑处理，持续对输出量进行控制，提高了系统的稳定性。对于一个闭环系统，它能实时跟踪被控对象的输出曲线，并可起到滤波的作用。扩展状态观测器用来解决模型未知部分和外部未知扰动综合对控制对象的影响。扩展状态观测器设计了一个扩展的状态量来跟踪模型未知部分和外部未知扰动的影响。然后给出控制量补偿这些扰动。将控制对象变为普通的积分串联型控制对象。设计扩展状态观测器的目的就是观测扩展出来的状态变量，用来估计未知扰动和控制对象未建模部分，实现动态系统的反馈线性化，将控制对象变为积分串联型。非线性误差反馈控制律给出被控对象的控制策略。

3 自抗扰控制自动舵的实现

船舶航向运动系统模型可以看作是由舵机模型和船舶运动数学模型串联的系统，可以设计为双ADRC的船舶航向控制系统。其中，ADRC1是整个船舶系统的控制器(二阶)，ADRC2是舵机机构的控制器(一阶)。如果按照从内环到外环的顺序来整定控制器参数，需要首先确定ADRC2的参数，然后调整ADRC1的参数。但是这个方案需调整的参数比较多，设计的难度非常大。航向控制器设计的最终目的是实现对航向的准确保持与跟踪，可以将舵机机构和船舶运动数学模型作为一个整体，来实现对这个系统的控制，这样可以简化了控制器的设计，图2为这种设计方案的结构图，其中ADRC为二阶自抗扰控制器。自抗扰控制自动舵是可采用这种方案来实现。

图2 自抗扰控制结构图

4 结束语

自抗扰控制自动舵这一新的非线性控制方法，通过安排过渡过程、提取微分信号、应用非线性组合、扩张状态观测器与扰动估计补偿等过程，组建自抗扰控制器。从计算机仿真试验结果来看，该技术是不依赖于被控对象精确模型的新型实用数字控制技术。测试结果表明使用自抗扰控制技术的船舶自动操舵仪不但能减少人工操作，提高航行安全性，而且还有明显的经济效益，性能稳定可靠，为船舶自动舵的研究开辟了一条新的方向。

[1] 韩京清. 自抗扰控制技术. 前沿科学, 2007,(1).

[2] 王常顺. 基于自抗扰控制算法的自动操舵仪的研究与实现. 济南: 山东大学，2009.

[3] 张仁丹. 船舶航迹控制技术研究. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2010.

[4] 孟凡东. 自抗扰控制器的设计与应用研究. 哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2009.

[5] 郑为民，黄义新. 船舶自动舵技术的回顾与展望. 航海技术，2007.

Application of ADRC in the Ship Autopilot

Wang Yong

(Department of Marine, Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China)

TP273.2

A

1003-4862（2014）02-0024-03

2013-04-24

王勇(1982-)，男，硕士研究生。研究方向：交通运输规划与管理。