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原文传递基于时间尺度分析的船舶舵减摇系统在路径跟踪中的应用

论文题名：	基于时间尺度分析的船舶舵减摇系统在路径跟踪中的应用
关键词：	船舶运动;舵减摇系统;路径跟踪;时间尺度;L1自适应控制
摘要：	随着国际航运、海洋工程的高速发展，以及海军舰艇的高机动性要求，船舶的减摇和操纵控制已经成为衡量船舶性能的重要指标。例如，国际航运中广泛使用的大型和超大型宽体集装箱船很容易在风浪作用下产生大幅的横摇，导致失稳甚至倾覆，其减摇控制已成为一个重要的研究课题。此外，海洋作业的特殊需求以及军事舰艇所需要的机动性，对船舶的路径跟踪性能也提出了更高的要求。近年来，船舶控制领域的研究热点已经从传统的航向保持、航迹保持等问题转向路径跟踪、轨迹追踪和减摇控制等更为复杂的非线性问题。　　由于船舶运动系统自身和外部激励力的复杂性，使得现代船舶运动控制充满了挑战。具体的难点在于：船舶运动系统具有欠驱动和非线性等特征，并且在复杂外力作用下还有着很强的系统不确定性；许多现代的路径跟踪控制算法在形式上十分复杂，限制了其在工业上的应用；船舶的舵力相对较小，难以产生有效的高性能控制输入；包括横摇运动在内的六自由度运动系统通常具有所谓的非最小相位特征，使得减摇控制尤其困难。　　本文的主要脉络是研究船舶运动控制的综合性问题：从时间尺度分解的角度来研究船舶路径跟踪问题中的舵减摇控制。而研究的思路采用典型的分析、综合法，即先将问题分解为路径跟踪控制问题和舵减摇控制问题，并独立研究合适的控制算法。然后将二者综合，获得路径跟踪问题中的舵减摇控制。值得注意的是，这些控制问题都是近年来的研究热点。而本文采用了较新颖的控制思想和方法，简介如下：　　1)在路径跟踪问题中引入L1自适应控制，得到高效鲁棒的路径跟踪控制性能。　　2)基于奇异摄动法的时间尺度分解方法，将传统的舵减摇系统分解为慢变的航向保持子系统和快变的横摇子系统。　　3)结合L1自适应控制和奇异摄动法的时间尺度分析，研究船舶四自由度路径跟踪问题中的舵减摇控制。　　具体来说，本文的主要工作包括：建立单自由度、三自由度和四自由度的船舶运动控制模型。模型是船舶运动控制的起点。选择模型的原则在于，它在能够描述待控制系统的主要特征的前提下保持尽量的简单。本文在前人研究的基础上，详细探讨了不同场景下所采用的模型和相应的简化手段。此外，本文简单介绍了L1自适应控制和奇异摄动的理论和稳定性分析。　　基于L1自适应控制策略实现对船舶路径跟踪系统的高鲁棒性控制。在曲线路径的路径跟踪问题中，系统的不确定性问题一直特别重要。这样的不确定性一方面是来源于风浪流等外力的影响，另一方面则是由于追踪路径的几何复杂性。本文引入L1自适应控制方法来处理具有大不确定性的船舶路径跟踪系统。L1自适应控制有着快速的自适应速度和相对简单的控制形式。同时，L1控制理论建立在L1范数等严格数学理论上，使得其具有坚实的理论基础。本文采用基于导航(Guidance-Based)的控制策略，将路径跟踪系统分为一个导航子系统和一个控制子系统。导航系统只考虑轨迹的几何信息，将控制问题描述在一个改进的Serret-Frenet坐标系下，从而将路径跟踪问题转变为一个镇定问题。而控制子系统只需要考虑船舶运动的动力学特性，它将导航系统反馈进来的期望首向角速度作为输入，并结合适当的控制算法获得舵角输出，然后通过执行装置输出真实的舵角命令。整个控制系统采用L1自适应控制策略，将航向控制系统抽象为一个一阶自适应Nomoto模型。在L1自适应控制理论中，系统的不确定性由一个自适应参数?来捕捉，并通过自适应策略对此参数进行在线的辨识。L1自适应控制具有较快的自适应性能，一旦自适应参数?获得较为稳定的估计值，系统往往就会获得稳定的控制输出。本文重点研究了缓变波浪力和路径几何复杂性对系统不确定性的影响并评估L1自适应控制的效果。文中还给出了详细的控制器设计流程和稳定性分析。　　用基于奇异摄动法的时间尺度分析方法研究船舶舵减摇系统的控制设计。本文讨论了经典的船舶航向保持问题中的舵减摇系统控制设计。不同于传统的频域分析方法，本文采用时域的分析方法，因而会有更精细的状态信息。时间尺度分析的出发点在于：在实际情况下，船舶的横摇运动比首摇运动要快很多，这也正是船舶运动系统著名的非最小相位特征产生的原因。本文基于奇异摄动方法，将四自由度船舶运动系统分解为一个快变的横摇运动子系统和慢变的航向控制子系统。不同于传统的解耦分析方法，通过所谓的准静态平衡点(QSSE)，可以在不同时间尺度子系统之间传递耦合作用。这种耦合作用通常是很重要的，例如，定常回转运动会使得船舶产生一个定常的横倾角，这实际上可以视为慢变的轨迹运动对快变的横摇运动所产生的耦合影响。在本文中，奇异摄动采取以下的标准流程：将船舶运动系统描述成一个奇异方程组的形式；采用奇异摄动假设，计算出准静态方程，并将系统解耦为一个慢变子系统和一个快变子系统；将快变子系统的时间尺度延展为一个新的时间尺度τ，在这个新的时间尺度下，慢变的状态可以假设为常值；在解耦的子系统中分别设计控制算法，且需要保证不同子系统中的控制输入具有所谓的带宽分离的特性，以减小子系统间的耦合影响；结合两个子系统中的控制输入，得到总的控制律。本文给出了详细的推导过程、稳定性证明和鲁棒性分析。　　综合L1自适应控制方法和奇异摄动理论，解决路径跟踪问题中的船舶舵减摇控制问题。该部分设定了两个控制目标：路径跟踪性能和横摇减摇性能。本文把路径跟踪性能指标放在第一位，在保证一定的路径跟踪性能和舵角限制的情况下，将衰减横摇角作为控制的第二个目标。在路径跟踪中的减摇控制是一个十分困难的问题，主要源于以下三个原因：曲线的轨迹运动使得波浪力变得更加复杂，同时几何复杂性也必然增加了系统的不确定性；由于舵效的有限，需要权衡舵效在不同子系统之间的分配；在时间尺度分解的框架下，子系统的控制输入需要具有所谓的带宽分离的特征，而复杂的外部干扰和系统不确定性使得轨迹控制系统很可能也具有高频的输入部分，从而干扰快变的横摇系统的控制。在这样的背景下，本文的轨迹控制系统中所采用的L1自适应策略就显得尤其的重要。L1控制的快速自适应性能够快速镇定系统，在线辨识系统的不确定性，能够给出十分平滑和低频的控制输出。仿真结果显示，在具有较大外部干扰和复杂的跟踪路径情景下，自适应控制仍然能够给出有效的跟踪性能，并且舵角输出非常平缓。这就留下更多的舵角裕度给快变的横摇子系统的控制，使其能够获得有效的舵角带宽而保证控制算法的有效性。本文评估了在这种控制策略下的路径跟踪指标和减摇指标，结果显示出该综合分析框架的有效性。　　本文的研究为船舶四自由度运动控制提供了一种新的时域分析框架，即基于时间尺度分解的奇异摄动策略和基于L1自适应控制的轨迹控制方法。在这个分析框架下，船舶运动中的系统不确定性、非线性性和路径几何复杂性都能够得到适当的降阶和简化，因而能够得到更为有效的控制效果。
作者：	任如意
专业：	船舶与海洋工程
导师：	邹早建
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文