船舶动力定位手柄操作模式PID解耦控制

    张景鸿，王钦若，叶宝玉，熊建斌

    （广东工业大学自动化学院，广东广州510006）

摘  要：针对船舶动力定位手柄操作模式表现出的多变量、强耦合、非线性和时变性等特点，提出了一种增量式PID解耦控制方法。考虑横荡速度与艏摇角速度之间的耦合问题，采用前馈补偿解耦法对船舶的动力学模型进行解耦；根据解耦后的船舶动力学模型，采用增量式PID控制算法分别对纵荡速度、横荡速度和艏摇角3个自由度设计相应的控制器。仿真结果表明，该控制器跟踪快、实时性较好、鲁棒性强，可以满足工程应用的要求。

关键词：动力定位；动力学模型；手柄；解耦；PID控制

中图法分类号：TP273  文献标识号：A  文章编号：1000-7024 (2012) 12-4736-05

引  言

    动力定位(dynamic positioning，DP)是指不借助锚泊系统而通过自身动力使船舶保持在预定的位置，DP系统一般由位置测量系统，控制系统和推力系统三部分组成‘’2。。与传统锚泊的方式相比，DP系统定位精确，机动性强，操作方便且不受水深限制。海洋开发事业的发展促使对DP系统的需求不断增长，并加人对DP系统的研究力度。目前DP系统韵操作模式有手柄操作模式、艏向控制、自动导航、定位保持、目标跟踪和自动航迹2。。船舶动力定位手柄操作模式是指通过一只手柄来操纵船舶，具有操纵灵活、简单、反应快等优点。针对手柄操作模式的工作原理和船舶的动力学模型，提出了使用增量式PID解耦控制方法。文中

1  船舶运动学模型

    船舶手柄操纵模式是指使用操作面板上的手柄来手动控制船舶的前进、后退、横移、停【f：、转向、斜航以及航速。在船舶靠离港LJ、平台作业时尤为适用，该操作方式灵活、简单、可靠。

    在建立船舶数学模型时，通常采用两种坐标系：人地坐标系OEXE YEZE和随船坐标系OX YZ，如图1所示。在人地坐标系中，XE指向正北，YE指向正东，ZE指向地心；在随船坐标系中，坐标原点0位于船的质点，X轴指向船艏，y轴指向船的右弦，Z轴指向船底，妒为船舶的艏摇角。

    在风、浪、流作用下，无约束的船舶运动具有6个自由度的运动特征，每个自由度都包含了高频和低频运动。一般来说，高频运动并不会使船舶产生位置变化，因此动力定位仅考虑纵荡、横荡和艏摇3个自由度在水平面的低频运动。船舶手柄控制模式主要考虑纵荡速度、横荡速度以及艏摇角的运动控制，从船舶的动力学方程式(2)可以看出，船舶在横荡速度与艏摇角速度上存在耦合，首先要设计解耦环节来消除它们之间的耦合，实现各回路间的独立控制。

2 PID解耦控制器设计

2.1解耦控制

    在多输入多输出控制系统中，当输入输出之间相互影响较强时，会妨碍各回路变量的独立控制作用，甚至破坏系统的正常工作。因此，需考虑使用解耦控制来消除变量间耦合的影响。对多变量耦合系统的解耦，目前使用较多的有：前馈补偿解耦法、反馈解耦法、对角阵解耦法和单位阵解耦法6-8]。前馈补偿解耦法结构简单，易于实现，效果显著，在工程得到广泛应用。带前馈补偿器的全解耦系统框图如图2所示。

2.2  增量式PID算法设计

    随着计算机进入控制领域以来，数字式控制器的应用越来越广泛。控制算法和逻辑功能可以通过数字计算机来实现，使控制更加灵活。何置式、增量式和速度式是理想PID箅式的3种离散表达式。使用位置式PID计算时要对e(k)进行累加，运算量人‘9-1“1]。而且，其控制量r(k)的输出直接对应执行机构的输入，当计算机故障发生时，执行机构会产生人幅度变化，这会导致元件受损甚至酿成生产事故。而增量式PID只输出控制的增量△r(k)，所以误动作是影响小。△r(☆)通过A时刻的偏差和前两个时刻的偏差来计算，A时刻的控制量f (k)由△r(＆)和f（k-l）相加而成。通过这样的加权处理可以减少计算时间，节约内存，并且获得较好的控制效果。使用增量式PID手动／自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换rio]。在船舶动力定位手柄操作模式下，系统输入信号通过手柄和旋转编码器输入，选用可编程序逻辑控制器(programrnable logic con-trollcr，PLC)作为主控制器，要求系统的输出能快速反应，增量式PID能满足该模式下的控制要求。

     手柄三轴分别输入纵荡速度，横荡速度和艏摇角速度限值，艏摇角通过旋转编码器输入。船舶在旋转过程中速度不能太快，所以通过手柄Z轴来输入艏摇角速度的限值。外载荷力风、浪、流通过前馈补偿到控制器输出。其系统框架如图3所示。

    根据所选供给船的模型参数，选取仿真采样时间为1. 2s，设船的纵荡速度“给定为20m／s，横荡速度”给定为lOm／s，艏摇角Ang给定为50。。纵荡速度控制器的比例系数Kci取0.3，积分时间常数Tl.r取47. 24，微分时问常数TD_r取0.4724。横荡速度控制器的比例系数Kcy取0. 29，积分时间常数Tly取23. 967．微分时间常数TDy取0. 2397。艏摇角由外环控制器控制角度，内环控制器控制艏摇角速度。艏摇角控制器的比例系数Kcang取0.1，积分时间常数Tlang取2.0747，微分时间常数TDang取O；艏摇角速度控制器的比例系数Kca取0.029，积分时间常数Tla取6.224，微分时间常数TDa取0.06224。调节艏摇角控制回路时，先整定内环参数，使得艏摇角加速度输出基本稳定，然后再设定外环参数。在静水环境进行仿真，所以取外载荷力为O，仿真波形如图4～图6所示。

    从图4～图6可知，船舶的纵荡速度、横荡速度和艏摇角过渡过程平稳，超调量小，反应迅速，本文设计的PID解耦控制器取得比较满意的控制效果，并能满足船舶在实际应用中的控制要求。

    分别改变横荡速度和艏摇角度的输入，验证PID解耦控制器的解耦情况。分别改变横荡速度和艏摇角，观察输出波形的变化。给定船舶的横荡速度为30m／s，艏摇角保持50。，仿真波形如图7所示。

    船舶的艏摇角改为200。，横荡速度保持lOm／s，仿真波形如图8所示。

    由图5-图6与图7～图8比较可知，横荡速度的输入改变并不会引起艏摇角的输出，而艏摇角输入的改变对横荡速度的输出也没有影响，说明文中使用的解耦环节能有效消除了横荡速度跟艏摇角之间的耦合。

    改变船舶仿真模型的参数，船舶的参数由式(13)变为式(14)，PID解耦控制器的参数保持不变。仿真波形如图9所示，可以看出当船舶的参数改变后，船舶纵荡速度，横荡速度和艏摇角输出波形的调节时间增加，超调量也变火，但仍能满足控制要求，证明该控制器在模型参数变化时具有较强的鲁棒性

4  结束语

    根据手柄操作模式的工作原理和船舶的动力学模型，设计了一个增量式PID解耦控制器，实现船舶动力定位的手柄操作模式。首先使用前馈补偿解耦算法有效地消除横荡速度与艏摇角速度之间的耦合，然后利用增量式PID控制算法分别对纵荡速度、横荡速度和艏摇角3个自由度进行相应的控剖。仿真结果验证PID解耦控制器的有效性，超调小，反应快，在改变输入及船舶参数时系统仍能满足控制要求。该控制器易于工程上实现，具有较强的鲁棒性。