上海交通大学硕士学位论文 IV基于性能评价的船舶自动舵控制器设计研究 摘 要 随着航运事业的蓬勃发展，石油危机的日益严重，使得如何在航运中实现经济航行成为近来船舶自动舵研究的热点问题。 船舶自动操舵仪又称自动舵，是船舶运动控制问题中具有特殊重要性的一个系统， 用来保持船舶在给定航向或航迹上航行， 是船舶操纵的关键设备。传统的 PID 自动舵没有一个统一的性能指标，单纯追求航向精度，导致操舵频繁，并不经济。 本文采用了线性二次型性能指标来评价传统的 PID 自动舵， 指标综合考虑了跟踪的精度和控制能量的约束，以此为目标，设计了评价传统 PID 自动舵的方法，仿真结果表明这种评价方法是有效的。 并从传递函数模型出发，深入研究了线性定常系统的跟踪问题，得出了线性二次型性能指标2200: (1)| ( )()| ( ) |Jy tr tdtu tdt=+的最优结果，其解可用一个简单明了的解析表达式表示， 这对用于计算性能指标最优值以及评价控制器的性能都有重大意义。 在所得性能指标最优解的基础上，进一步在分析了船舶不确定性，并针对船舶本身参数的不确定性，即船舶传递函数的参数摄动，结合前面推导的线性二次型性能指标的最优解析结果， 设计了一种新的保证性能指标的控制算法， 并分析了最优性能指标对不确定量的敏感程度和最优性能指标的可能变化的范围。 上海交通大学硕士学位论文 V关键词： 船舶自动舵，性能指标， 性能评价， 线性定常系统跟踪问题，保性能算法 上海交通大学硕士学位论文 VIResearch and design of ship steer controller on performance estimate ABSTRACT With the rapid development of shipping and deteriorating of oil crisis, there has been growing attention devoted to the studies of how to achieve economical shipping. The automatic instrument of ship maneuvering named automatic steer, it is a important equipment in shipping maneuvering, it is used to maintain a given direction or track. Traditional design of PID steer does not have a normative rule to estimate. It just considers the precision of course, which result in more steering and cost. It adopts linear quadratic performance index to estimate traditional PID steer in this paper. This index considers best tracking performance under control energy constraint. This paper designs a method to estimate traditional PID steer and simulated result prove it feasible. This paper studies optimal tracking problem of linear time- invariant systems and gets the optimal result of linear quadratic performance index 2200: (1)| ( )()| ( ) |Jy tr tdtu tdt=+. The result can be expressed by a simple expression, which can be used to calculate the performance index and estimate controller. Based the optimal result of performance index, this paper analyze uncertainty of ship. And a new guaranteed performance index accuracy 上海交通大学硕士学位论文 VIIalgorithm was developed. The sensitivity optimal performance index to uncertainty of ship and bound of values that J takes under parameter changes are also considered and analyzed. K e y w o r d : ship steer, performance index, performance estimate, tracking problem of linear quadratic system, guaranteed performance algorithm 上海交通大学硕士学位论文 X图片目录 图 2 - 1 线性单元反馈跟踪系统. 14 图 2 - 2 两种方法计算的*J值比较. 23 图 4 - 1 PID 自动舵控制结构图. 32 图 4 - 2未加速度反馈的船舶操纵系统模型. 34 图 4 - 3加入速度反馈的船舶操纵模型. 34 图 4 - 4 优化前的仿真结果图. 35 上海交通大学硕士学位论文 XI表目录 表 4 - 1 PID 参数的 Ziegler- Nichols 整定规则 . 33 上海交通大学硕士学位论文 II上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：狄猛 日期： 2008 年 1 月 21 日 上海交通大学硕士学位论文 III上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 狄猛 指导教师签名：杜秀华 日期： 2008 年 1 月 21 日 日期： 2008 年 1 月 21 日 上海交通大学硕士学位论文 1第一章 绪 论 1.1 自动舵的定义及发展 1.1.1 自动舵的定义 自动操舵控制装置，简称自动舵( auotpilot) ，是在随动操舵基础上发展起来的一种全自动控制的操舵方式。 它是船舶运动控制问题中具有特殊重要性的一个系统，用于航向保持/ 航向改变/ 航迹保持控制。它是根据陀螺罗经的航向信号和指定的航向相比较来控制操纵系统，自动使船舶保持在指定的航向上。由于自动舵灵敏度和准确性都较高，它替代人工操舵后，相对提高了航速和减轻了舵工的工作量。早在 2 0世纪 2 0年代已出现商品化的机械式 PID 自动舵用于商船的航向保持。在此后的历史进程中，随着科学的发展和技术、工艺的进步，自动舵的构造变化巨大，电气式、电子式、微型计算机化的产品相继问世。目前商船均配置有自动舵，当定向航行且航区没有其它船来往时，则可改手操舵为自动舵。 1.1.2 自动舵的发展 船舶在海上航行时，由于受到海风、海浪及海流等海洋环境扰动的作用，不可避免地要产生各种摇荡和航向改变，其运动形式可以分为两大类: 一是船舶的操纵运动， 另一个是船舶的摇荡运动。 所谓操纵运动是指驾驶者借助于操纵装置，来改变或保持船的运动状态; 而摇荡运动是指在风、浪、流的干扰下产生的往复运动。 自从 20 世纪 20 年代机械式自动舵应用于船舶航向控制到现在， 航向自动舵及其控制算法发展可以划分为四个阶段： 第一代- 机械自动舵: 经典控制的自动舵率先推出自动舵产品的是德国和美国。 德国的 Aushutz和美国的 Sperry分别于 1920 年和 1923 年独立研制成了机械式的自动操舵仪，其出现是一个重要里程碑，因为它使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望。机械式自动舵只能进行简单的比例控制，上海交通大学硕士学位论文 2这种自动舵需要采用低增益以避免震荡，只能用于低精度的航向保持。 第二代- PID 自动舵: 20 世纪 50 年代，随着电子学和伺服机构理论的发展与集控制技术和电子器件的发展成果于一体的 PID 自动舵横空出世，使得航向自动舵的控制精度明显提高。缺陷是对外界变化应变能力差，操舵频繁、幅度大，能耗显著。如对海浪高频干扰，PID 控制过于敏感，为避免高频干扰引起的频繁操舵，常采用“死区”非线性来进行天气调节，但死区会导致控制系统的低频特性恶化，产生持续的周期性偏航，这将引起航行精度降低，能量消耗加大; 此外，当船舶的动态特性( 速度、载重、水深、外型等) 或外界条件( 风、浪、流等) 发生变化时，控制参数需连续地进行人工整定，不合适的控制参数的控制器将导致差的控制效果，如操舵幅度大、操舵频繁等，而人工整定参数很麻烦。 第三代- 自适应舵: 20世纪60年代末， 随着计算机技术和自适应理论的发展，人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能， 瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵应用到实船上，继而正式形成了第三代自动舵。自适应舵在提高控制精度、减少能耗方面取得了一定的成绩，但物理实现成本高、参数调整难度大，尤其是船舶的非线性和不确定性使得控制效果难以保证，影响系统的稳定性。70 年代初期，J.vAmernogen 等人，就开始研究基于模型参考自适应控制的自动操舵仪。70 年代中期，K.J.Astorm 等人研究了基于自校正控制的自适应操舵仪，所制成的自动舵，控制规律采用