潛艇自動(dòng)舵控制方法研究＊

黃佳帥

（92730部隊(duì) 葫蘆島 125000）

1 引言

潛艇作為一種能長(zhǎng)時(shí)間在水下隱蔽機(jī)動(dòng)的武器受到各國(guó)重視，而如何精準(zhǔn)地控制航向和深度在很大程度上決定著潛艇生命力和戰(zhàn)斗力，這就要求舵手操作過(guò)硬，經(jīng)驗(yàn)豐富，精力集中，然而長(zhǎng)時(shí)間在海上航行人員容易疲憊，并且人為操舵受到周?chē)h(huán)境影響較大，難以保證萬(wàn)無(wú)一失，如果在潛艇上裝備技術(shù)成熟的自動(dòng)舵，那么潛艇戰(zhàn)力將大大提升。

2 自動(dòng)舵的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

自上世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)一些科研院所、高校開(kāi)展自動(dòng)舵的理論與開(kāi)發(fā)工作，并取得了不少成果，一些航海儀表廠(chǎng)家也獨(dú)立或與研究所、高校合作開(kāi)展了自動(dòng)舵的試制和生產(chǎn)，其產(chǎn)品以模擬PID舵為主。目前國(guó)外市場(chǎng)上有多種成熟的航向舵、航跡舵產(chǎn)品，其控制方法大多為比較成熟的自適應(yīng)控制。目前美國(guó)、俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在潛艇上運(yùn)用了自動(dòng)舵技術(shù)，并且使用效果較理想［1］。

目前自動(dòng)舵的發(fā)展向著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

1）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)綜合數(shù)據(jù)船橋系統(tǒng)功能。

2）整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)。

3）系統(tǒng)人機(jī)界面全部菜單化，采用游戲桿或跟蹤球等進(jìn)行操作。

4）采用雙羅經(jīng)、雙計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配置以提高可靠性和安全性。

5）配備電子海圖顯示和信息系統(tǒng)。

6）中央控制臺(tái)按照設(shè)備功能集成的原理，把“監(jiān)督（雷達(dá)，ECDIS）”和“控制（航跡舵）”等集成在一起。

7）采用航行優(yōu)化和安全系統(tǒng)。它能綜合幾天的天氣預(yù)報(bào)、海況、船舶經(jīng)濟(jì)性和計(jì)劃時(shí)間等信息，制定航行策略。

3 自動(dòng)舵主流控制方法

3.1 PID控制

PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。當(dāng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)后，數(shù)字PID控制器更顯示出參數(shù)調(diào)整靈活、算法變化多樣、簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)［2］。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這就是PID控制器。PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示［3］。

圖1 PID控制器系統(tǒng)原理框圖

常規(guī)PID控制系統(tǒng)一般只適用于線(xiàn)性系統(tǒng)，且不能根據(jù)實(shí)際情況在線(xiàn)調(diào)整增益系數(shù)，致使其不能滿(mǎn)足在不同的偏差和偏差變化率下對(duì)控制器的PID參數(shù)進(jìn)行自整定的要求，從而影響系統(tǒng)的控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。利用模糊控制規(guī)則在線(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。

目前較成熟的PID自整定方法有：

1）經(jīng)驗(yàn)公式法：Ziegler－Nichols設(shè)定方法、ISTE最優(yōu)設(shè)定方法和臨界靈敏度法；

2）仿真試驗(yàn)法。

Ziegler－Nichols設(shè)定方法：受控對(duì)象大多可近似用一階慣性加純延遲環(huán)節(jié)來(lái)表示，傳遞函數(shù)為

對(duì)于典型PID控制器：

Ziegler－Nichols整定公式：

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常根據(jù)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)（圖2），人工測(cè)量出K、Tp、τ參數(shù)，然后按式（3）計(jì)算kp、TI、TD。

圖2 階躍響應(yīng)曲線(xiàn)

3.2 自適應(yīng)控制

目前船舶操縱中提出的自適應(yīng)方法，主要有自適應(yīng)PID設(shè)計(jì)法、隨機(jī)自適應(yīng)法、模型參考法、基于條件代價(jià)函數(shù)的自校正法、最小方差自校正法、變結(jié)構(gòu)法、自線(xiàn)性二次高斯法等。

一般經(jīng)典的控制方法運(yùn)用有兩個(gè)前提：一是對(duì)象的模型是精確的、不變化的，且是線(xiàn)性的；二是操作條件、運(yùn)行環(huán)境是確定的、不變的。實(shí)際上，一般的工業(yè)控制系統(tǒng)只是粗略、近似的滿(mǎn)足這些條件，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)控制性不高。自適應(yīng)控制是針對(duì)對(duì)象特性的變化、漂移和環(huán)境干擾對(duì)系統(tǒng)的影響而提出來(lái)的，其基本思想是通過(guò)在線(xiàn)辨識(shí)或通過(guò)某種算法使這種不確定或變化的影響逐漸降低，以至消除，并修正控制器自己的特性，以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性變化。

3.3 智能控制

對(duì)有限維、線(xiàn)性、時(shí)不變的控制過(guò)程，傳統(tǒng)控制法是有效的，但實(shí)際船舶系統(tǒng)常具有不確定性、非線(xiàn)性、非穩(wěn)定性和復(fù)雜性，很難建立精確的模型方程，甚至不能直接進(jìn)行分析和表示。而根據(jù)人工操作者的處理經(jīng)驗(yàn)和正確的理解，就可有效地控制船舶航行，這就是智能舵。智能舵分為專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊舵和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)舵三種。

3.3.1 專(zhuān)家系統(tǒng)

專(zhuān)家系統(tǒng)是目前人工智能中最活躍、最有成效的一個(gè)研究領(lǐng)域，它由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、信息獲取、控制算法五部分組成。知識(shí)庫(kù)以適當(dāng)形式存儲(chǔ)由專(zhuān)家提供的在某個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)門(mén)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及書(shū)本知識(shí)和常識(shí)，主要起到知識(shí)的存儲(chǔ)功能。數(shù)據(jù)庫(kù)存放專(zhuān)家系統(tǒng)當(dāng)前工作已知的一些情況，用戶(hù)提供的事實(shí)和由推理得到的中間結(jié)果。推理機(jī)主要根據(jù)獲取到的輸入信息，利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)模擬專(zhuān)家的思維過(guò)程，控制并執(zhí)行對(duì)問(wèn)題的求解。信息獲取指的是獲取由其閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信息以及系統(tǒng)的輸入信息?？刂扑惴ㄊ菍?zhuān)家控制系統(tǒng)的直接控制部分，由推理機(jī)作出的決策通過(guò)控制機(jī)構(gòu)付諸實(shí)現(xiàn)。專(zhuān)家系統(tǒng)PID舵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 專(zhuān)家系統(tǒng)PID舵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 模糊控制

模糊控制通常由模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理和非模糊化幾部分組成［4］。模糊化的作用是將參考輸入、對(duì)象輸出等精確量化成模糊量，是得到模糊推理中的前提；模糊推理是模糊控制的核心，具有模擬人的基于模糊概念的推理能力；非模糊化將模糊推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為實(shí)際可用的精確量；知識(shí)庫(kù)包含了用于模糊化和非模糊化的各語(yǔ)言變量的模糊分割、隸屬函數(shù)等數(shù)據(jù)庫(kù)信息，以及用于模糊推理的一系列控制規(guī)則構(gòu)成的規(guī)則庫(kù)，構(gòu)造了模糊推理中的前提［5］。

圖4 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)圖

3.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它由若干個(gè)人工神經(jīng)元（簡(jiǎn)稱(chēng)神經(jīng)元）互聯(lián)組成網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一方面受結(jié)構(gòu)與特性的制約，另一方面受環(huán)境的影響，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)自組織、自學(xué)習(xí)不斷地適應(yīng)外界環(huán)境的變化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作方式包括兩個(gè)階段［6］：

1）學(xué)習(xí)期：神經(jīng)元間的聯(lián)接權(quán)值（和神經(jīng)元非線(xiàn)性函數(shù)參數(shù)），可由學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，以使目標(biāo)函數(shù)達(dá)最小。

2）工作期：聯(lián)接權(quán)值（和神經(jīng)元非線(xiàn)性函數(shù)參數(shù)）不變，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的輸入得到相應(yīng)的輸出。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 自動(dòng)舵在潛艇中的應(yīng)用

潛艇控制系統(tǒng)是一種慣性大、非線(xiàn)性的復(fù)雜控制系統(tǒng)。目前潛艇自動(dòng)舵通常采用常規(guī)的PID控制保持定向或定深運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)舵舵原理簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 自動(dòng)舵原理簡(jiǎn)圖

自動(dòng)舵需要依賴(lài)精確的數(shù)學(xué)模型，而且控制參數(shù)確定后，僅能適應(yīng)特定的環(huán)境條件，無(wú)法適應(yīng)環(huán)境條件的變化。首先，當(dāng)船舶的動(dòng)態(tài)特性或外界條件發(fā)生變化時(shí)，控制參數(shù)需進(jìn)行人工整定，若控制參數(shù)不合適，將導(dǎo)致控制效果變差，操舵幅度大，操舵頻繁，舵機(jī)損耗大，缺乏對(duì)船舶動(dòng)態(tài)變化及海況變化的自適應(yīng)能力；其次，對(duì)于高頻海浪干擾采取的高頻轉(zhuǎn)舵，將產(chǎn)生持續(xù)性偏航，致使航行精度降低，能量消耗加大。因此航向深度變化不大時(shí)，自動(dòng)舵可以精準(zhǔn)地控制船舶，保證航行安全，但在用舵頻繁或海區(qū)環(huán)境變化較大的情況下，自動(dòng)舵將失去其優(yōu)勢(shì)，取而代之的是人工舵，但是隨著科技的發(fā)展，如智能控制等先進(jìn)控制方法的進(jìn)一步完善，艦船全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)舵將是一種大趨勢(shì)。

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