基于模型的船舶控制外文翻译资料

 2022-07-29 15:32:48

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9.1历史背景

基于模型的船舶控制的历史始于1908年电罗经的发明，它依靠可靠的自动偏航角反馈。电罗经是航向控制反馈控制系统的基本仪器，今天这些设备被称为自动驾驶仪。另一个突破是20世纪70年代局部定位系统的发展。全球覆盖的卫星导航系统在1994年首次得到使用。位置控制系统用于航点跟踪，轨迹跟踪和路径跟踪。

局域船舶定位系统如水声参考系统（SSBL，SBL，LBL），双曲线无线电导航系统（Decca，Loran-C，Omega），局部电磁距离测量（EDM）系统（Artemis，Autotape，Miniran， Mini-Ranger III，Syledis，Tellurometer，Trident III，Trisponder）和张紧绳定位系统推动了20世纪70年代后期的船舶和钻机的第一个动态定位系统的发明和设计。卫星导航系统的商业化，进一步加强了全球范围内动力定位系统在海上的应用。1994年，全球定位系统被宣布全面运作（全球覆盖），尽管第一颗卫星是在1974年运行的（Parkinson and Spilker，1995）。GPS接收机是全球航点跟踪控制系统和船舶定位系统的标准组件。它们被用作商业和海军用途。如今，全球卫星导航系统（GNSS）已有三种：Navstar GPS（美国），GLONASS（俄罗斯）和GALILEO（欧盟）。

9.1.1陀螺仪及其对船舶控制的贡献

在20世纪50年代，法国科学家J. B. L. Foucault用安装在万向环中的轮子（转子）进行实验，这是一组允许其在任何方向自由转动的环。该设备采用名称为陀螺仪。在实验中，Foucault注意到，无论地球的旋转如何，万向环中的转子都保持原有的空间方向。

在大不列颠百科全书中，陀螺仪给出以下定义：

陀螺仪：由快速旋转的轮子组成的装置，该轮子设置在框架中，允许其在任何方向上自由倾斜，即围绕任何轴线旋转。这种轮子的动力使得它在框架倾斜时保持其姿态，从这个特征导出了一些有价值的应用。陀螺仪被用于船上和飞机上的指南针和自动驾驶员，鱼雷的转向机构，大型反光装置和惯性导航系统中。

1810年，陀螺仪结构的初次记录归功于C.A. Bohnenberger，而第一个电动陀螺仪则是在1890年由G.M.Hopkins所展示。钢制船舶和水下战争需要更可靠的导航系统，而陀螺仪的发展则受到这种需求的推动。磁罗经与陀螺罗盘相反，对磁力扰动非常敏感，这在钢船和配备电气设备的潜艇中通十分常见。在类似的工作中，德国的Dr H.Anschutz和美国的Elmer Sperry都致力于陀螺仪的实际应用。1908年，Anschutz获得了第一个寻北仪的专利，而Elmer Sperry在三年之后获得了包括垂直阻尼在内的弹道指南专利。

自从陀螺仪的发明导致自动驾驶仪的发展后，也成为了自动船舶控制的关键突破之一。Fossen讨论了历史上的运动控制观点，而Fossen和Perez在卡尔曼 - 布西滤波器发明50周年之际，对船舶和海上钻机的定位和航向控制的卡尔曼滤波进行了讨论。Breivik和Sand讨论了J. G. Balchen和船舶自动化与动态定位合作者的开创性工作。

9.1.2自动驾驶仪

自动驾驶仪或自动导航装置是用于控制飞机、船舶或其他车辆的设备，而不需要人为干预。最早的自动驾驶仪只能维持一个固定的航向，并且在常规巡航中仍然需要小艇上的驾驶员。对于船舶，航向保持功能是第一个应用。然而，现代自动驾驶仪可以执行复杂的操作，例如转向和对接操作，或者能够控制固有的不稳定的船只，如潜艇和一些大型油轮。自动驾驶仪还经常用于引导水面舰艇、潜艇、鱼雷、导弹、火箭和宇宙飞船等。

如前所述，陀螺罗盘的工作已经扩展到由Elmer Sperry（1860-1930）进行的船舶转向和闭环控制，他们构建了第一个自动船舶转向机构。该设备被称为Metal Mike，是一个陀螺仪导航自动驾驶仪或机械舵手。Sperry标准的自动驾驶仪的第一次现场试验于1922年进行。Metal Mike模拟了技术娴熟的飞行员或舵手的很多行为，包括使用反馈控制和自动增益调整补偿不同的海况。Nicholas Minorsky (1885–1970)对位置反馈控制系统进行了详细的分析，该系统制定了一个三项控制法，即现在称为比例积分微分（PID）控制。观察舵手引导船只的方式促成了这三种不同的行为。在Bennet，对Sperry和Minorsky的工作及其对自动驾驶仪设计的贡献进行了有趣的分析。

Sperry和Minorsky的自动驾驶仪系统是单输入单输出（SISO）控制系统，其中船舶的航向（偏航角）由陀螺仪测量。今天，该信号被反馈到计算机，其中以软件实现PID控制系统（自动驾驶仪）。自动驾驶仪将导航设定值（所需航向）与测量航向进行比较，并计算方向舵命令，然后将其发送到方向舵伺服机构以进行纠正。

最近，PID型自动驾驶仪已被基于线性二次高斯（LQG）和Hinfin;控制设计技术的自动驾驶仪所取代。这些设计技术的一个有利特征是它们允许对一阶波浪力的频率相关的陷波滤波。必须防止围绕偏航波谱峰值频率的频率分量进入反馈回路，以避免推进器和螺旋桨系统的磨损和破裂。PID控制器与死区，陷波和低通滤波器级联的缺点是在闭环系统中引入了额外的相位滞后和非线性。基于模型的状态估计器（卡尔曼滤波器）可以减少这些问题。许多作者在文献中已经说明了线性二次高斯和Hinfin;自动驾驶仪设计。

除了LQG和Hinfin;控制之外，其他设计技术也被应用于船舶自动驾驶仪设计，如非线性控制理论。第13.3节详细介绍了非线性系统的自动驾驶仪设计。

9.1.3动态定位和定位系泊系统

基于PID的自动驾驶系统和局域定位系统的发展取得巨大成功表明，PID控制器可以用于通过推进器和螺旋桨专门控制船舶纵荡、横荡、艏摇的水平运动。这个想法在20世纪70年代被测试，本发明被称为动力定位（DP）系统。DP的PID设计见第12.2.10节，而第13.1.6节讨论了最佳DP。对于自动驾驶系统，一个具有挑战性的问题是防止一阶波浪力进入反馈回路。为了这个目的测试了几种技术，例如缺口和低通滤波以及使用死区技术，但成功程度不同。

在1960-1961年，卡尔曼滤波器由卡尔曼（1960）和布西（1961）提出。两年后的1963年，线性二次（LQ）最优控制器的理论成为可能。因为可以使用状态观测器（卡尔曼滤波器）来估计波频率（WF）和船低频（LF）运动，所以刺激了LQG控制器在多变量控制系统船舶控制中的应用，例如动力定位系统。多变量控制策略的另一个优点是可以处理纵荡、横荡、艏摇之间的相互作用。这由三个去耦PID控制器是无法做到的。

Balchen和Grimble等人首次将LQG设计技术应用于动力定位系统。后来，Grimble和合作者建议使用Hinfin;和mu;最优方法进行过滤和控制。这些方法已经由Katebi等人进一步改进，其中使用非线性推进器动力学描述函数。1995年以后，Fossen和合作者对动力定位系统进行了非线性PID控制， passive observer设计和observer backstepping设计，并且效果良好。见Groslash;vlen和Fossen（1996），Fossen和Groslash;vlen（1998），Strand (1999) 及其中的参考文献。在Strand和Soslash;rensen（2000）中提出了DP系统的概述，而在Strand（1999）中提出了PM系统的扩展。DP和PM系统在第12.2.10和13.1.6节中有更详细的讨论。

9.1.4航点跟踪和路径跟踪控制系统

在船舶自动驾驶仪和DP系统中使用LQG控制器的成功结果以及全球导航系统（如GPS和GLONASS）的可用性导致对航点跟踪和路径跟踪控制系统的兴趣日益增加。参见Holzhuter和Schultze（1996），Holzhuter（1997），Fossen（2003b），Skjetne（2004），Breivik和Fossen（2009）及其中的参考文献。航点到可行路径或轨迹的转换通常是非线性优化问题。这在第10章中讨论。运动控制器可以使用线性理论设计或将控制问题视为非线性处理。见第12.2.7-12.2.9和13.3.12节。第10章讨论了轨迹跟踪和路径跟踪控制的制导系统，而第12-13章讨论了机动性和自动驾驶系统。

9.2制导，导航和控制的原理

运动控制系统通常被构造为三个独立的块，制导，导航和控制（GNC）系统。这些系统通过数据和信号传输相互作用，如图9.1所示，其中显示了常规的船舶自动驾驶仪。在更高级的GNC系统中，这些块可以更紧密地耦合，甚至由一个块表示。松紧耦合是模块化和高性能之间的折衷。从工业的角度来看，具有松散耦合的系统是引人注目的，因为这允许单个块的软件更新。

在图9.1中，引导系统利用估计的备选测量位置和速度。这被称为闭环制导系统，而仅使用参考前馈（无反馈）的制导系统是开环制导系统（见图9.3）。

制导，导航和控制的定义

在最先进的形式中，GNC块代表三个互连的子系统，如图9.1所示。 子系统的任务分为：

制导是持续计算运动控制系统使用的船舶的位置，速度和加速度的动作或系统。这些数据通常提供给操作人员和导航系统（见图9.2）。制导系统的基本部件是运动传感器，外部数据，如天气数据（风速和方向，波高和坡度，当前速度和方向）和计算机。计算机收集和处理信息，然后将结果反馈到运动控制系统。在许多情况下，先进的优化技术常被用来计算船舶遵循的最佳轨迹或路径。这可能包括复杂的功能，如燃油优化，最小时间导航，气象导航，避免碰撞，编队控制和同步。

导航是通过确定其位置/姿态，路线和距离来指导船舶的科学。在某些情况下也可以确定速度和加速度。这通常使用诸如加速计和陀螺仪的运动传感器组合的全球导航卫星系统（GNSS）来完成。船舶应用最先进的导航系统是惯性导航系统（INS）。导航来源于拉丁语navis，“船舶”，agere，“驾驶”。它最初表示了船舶驾驶的技术，包括转向和设置风帆。这个技能比这个词本身更古老，而且在许多世纪的过程中演变成技术科学，包括规划和执行船舶，水下船舶，飞机和航天器的安全，及时和经济的运行。

控制或更具体的运动控制是确定满足某一控制目标的船舶提供的必要控制力和力矩的行为。通常所需的控制目标是与制导系统连同在一起的。控制目标的实例是最低能耗、设定值调节、轨迹跟踪，路径跟踪和机动控制。构建控制算法涉及反馈和前馈控制规则的设计。位置，速度和加速度从导航系统中输出，用于反馈控制，而前馈控制使用制导系统和其他外部传感器中可用的信号来实现。

自动驾驶仪是最基本的GNC系统。最先进的自动驾驶仪系统由参考模型（制导系统），陀螺罗经/观察员（导航系统）和自动驾驶仪（控制系统）组成。如图9.3所示。

图9.2操作人员监控导航数据

图9.3自动驾驶仪GNC模块，其中参考模型表示开环引导系统

9.3设定值调节，轨迹跟踪和路径跟踪控制

在设计运动控制系统时，必须明确定义控制目标以满足船舶安全运行的要求。在这种背景下，重要的是区分以下三个重要的控制目标：

设定值调节：最基本的制导系统是由操作人员提供的恒定输入或设定值。相应的控制器将成为一个调节器。设定值调节的示例是恒定深度，纵倾，横倾和速度控制。它也可以调节为零，这在横摇和纵摇中通常是必需的。

轨迹跟踪控制：船舶的位置和速度应跟踪所需的时变位置和速度参考信号。相应的反馈控制器是一个轨迹跟踪控制器。跟踪控制可用于偏航调节，变速和姿态控制。一个先进的制导系统，根据一个预定义的控制目标，从动态模型中计算出最佳的时变轨迹。如果在开环引导系统中使用恒定设定值作为低通滤波器（参考模型）的输入，则滤波器的输出将是位置，速度和加速度（PVA）的平滑时变参考轨迹。

路径跟踪控制：这是遵循独立于时间的预定义路径（无时间约束）。此外，沿着路径的时间传播没有限制。

一旦控制目标确定，就可以设计一个运动控制系统来满足需求，第12-13章介绍了这些方法。

9.4欠驱动和全驱动船舶控制

在设计船舶运动控制系统时，重要的是区分：欠驱动船舶和全驱动船舶。

控制全驱动的海船是微不足道的，而欠驱动则限制了可以满足的控制目标。更具体地说，控制目标必须被制定为使得该船舶能够满足所有要求，即使它配备有在一些方向上纯粹产生力的推进器。不幸的是，大多数船舶都是欠驱动的，因为它们无法在所有自由度中产生控制力和力矩。

定义9.1（自由度（DOF））：

对于船舶，自由度是一组独立的位移和旋转，完全确定了船舶的位移和方位。可在三维空间内自由移动的船舶最多可以有6个自由度，三个平动和三个转动。因此，在六个自由度中操作的全驱动的船舶必须配备有能够在所有方向上产生独立力和力矩的推进器。当模拟这种船舶的运动时，由于系统的约束，需要共12个常微分方程。

在许多情况下，这是不实际的。例如，一艘船可配备单舵和螺旋桨。因此，运动控制系统不能满足6自由度控制目标。如果控制目标是路径跟踪控制，仍然可以控制船舶。其原因是即使船舶在6自由度中移动，也可以使用两个控制输入来满足两个控制目标。进一步来说：通过定义控制目标的工作空间，设计了欠驱动和全驱动的船舶的控制系统。为了研究这一点，有必要定义船舶的位形空间和工作空间。

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