基于硬件在環(huán)的舵鰭聯(lián)合減搖實驗系統(tǒng)設(shè)計

(海軍工程大學(xué) 導(dǎo)航工程系，武漢 430033)

船舶在轉(zhuǎn)彎過程中，會產(chǎn)生較大的橫搖，過大的橫搖會降低船舶的安全性[1]，因此，研究舵鰭聯(lián)合減搖及航跡保持具有一定的工程應(yīng)用價值。目前，國內(nèi)外已經(jīng)研制出了具有航跡控制功能的操舵儀并開始裝備使用。雖然船舶上都安裝了減搖鰭與自動舵，但一般都是通過舵機(jī)系統(tǒng)控制船舶的航向、航跡，通過減搖鰭控制器實現(xiàn)船舶減搖，兩個系統(tǒng)獨立工作，系統(tǒng)之間沒有直接聯(lián)系。根據(jù)實際的船舶航行經(jīng)驗，在航行過程中，操舵控制會影響船舶的橫搖運(yùn)動，鰭的運(yùn)動會影響船舶的艏搖運(yùn)動，因此，將相互獨立的舵控制系統(tǒng)與鰭控制系統(tǒng)聯(lián)合起來，綜合考慮兩種控制的耦合效應(yīng)，一定程度上會提高船舶航跡航向控制及鰭減搖控制性能[2-3]。

實驗室條件下，不能最大限度模擬真實的船舶舵鰭聯(lián)合減搖情況，也無法驗證所設(shè)計的控制算法在實船上是否有效可行。針對這一問題，設(shè)計構(gòu)建舵鰭聯(lián)合減搖的硬件在環(huán)實驗系統(tǒng)，以文獻(xiàn)[4]為基礎(chǔ)建立基于船舶航跡保持的橫搖模型，在實際裝備的控制器中根據(jù)船舶航跡全局NPD最優(yōu)控制算法設(shè)計舵鰭聯(lián)合減搖控制算法，通過實際物理信號與Simulink環(huán)境下建立的仿真系統(tǒng)模型實時通信，進(jìn)行半實物實時仿真，以檢驗實驗系統(tǒng)的可行性及設(shè)計的算法在減搖與航跡控制方面的有效性。

1 船舶運(yùn)動模型

在船舶航行過程中，船舶直線航跡運(yùn)動非線性模型為

(1)

式中：y為橫偏位移；U為航速；ψ為航向角；r為艏搖角速度；δc為控制舵角；K、T、α、β為船舶參數(shù)。對于大部分船舶α≥0成立；當(dāng)β=1時，為直線穩(wěn)定船舶；當(dāng)β=-1時，為直線不穩(wěn)定船舶。

對于船舶橫搖運(yùn)動，根據(jù)Conolly的理論及當(dāng)船舶橫搖運(yùn)動較小時，可對其線性化，得到線性橫搖數(shù)學(xué)模型。

由于舵角與艏搖角速度對橫搖角的耦合較強(qiáng)，故橫搖模型中還需考慮艏搖角速度r與實際舵角δa[5]，即式(2)可改為

mr+nδa

(3)

式中：m、n分別為艏搖角速度、舵角對橫搖角的影響因子，其值可以根據(jù)船舶參數(shù)，利用文獻(xiàn)[6]中計算船舶運(yùn)動的分離型模型或者通過回轉(zhuǎn)實驗獲得。

(4)

聯(lián)立式(1)、(3)、(4)，可得到船舶航跡控制及橫搖運(yùn)動非線性模型。

2 航跡控制及減搖算法

文獻(xiàn)[7]提出的基于最優(yōu)控制的船舶航跡全局NPD控制律為

δc=-kψ(ψ+f(y))-krr

(6)

船舶進(jìn)行舵鰭聯(lián)合減搖控制過程中，尤其當(dāng)船舶進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動時，在考慮艏搖角速度和舵角對橫搖角的影響后，僅引入橫搖角及橫搖角速度反饋的最優(yōu)控制器無法消除艏搖角速度和舵角造成的船舶橫搖運(yùn)動。若要提高減搖效果，則應(yīng)減搖控制器中考慮引入船舶的艏搖角速度與舵角反饋，故設(shè)計減搖控制器[8]如下。

αc=-(kpφ+kdp+kαrr+kαδδa)

(7)

式中：kp、kd、kαr、kαδ為控制器中相應(yīng)的狀態(tài)反饋系數(shù)。

3 硬件在環(huán)實驗系統(tǒng)設(shè)計

為了在實驗室條件下，利用實際的控制器和真實的通信信號，最大限度地模擬實際船舶的運(yùn)動，通過串口實現(xiàn)操舵儀控制器和仿真系統(tǒng)的實時通信，實現(xiàn)半實物仿真。模擬器中的數(shù)據(jù)和Simulink仿真結(jié)果，可以更加直觀全面地反映船舶的航線跟蹤情況和舵鰭聯(lián)合減搖的效果。

該實驗系統(tǒng)組成主要包括裝備在實際船舶的船載電子海圖系統(tǒng)(ECS)、自動操舵儀設(shè)備及外置電腦中利用Simulink仿真模塊搭建的橫搖/鰭機(jī)運(yùn)動模型。其實物見圖1，其中圖1a)為硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)整體實物，圖1b)為ECS操作界面。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意于圖2。

圖1 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)

圖2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖2可知，整個系統(tǒng)的工作流程為狀態(tài)設(shè)置模塊首先對控制器進(jìn)行設(shè)置，船載電子海圖系統(tǒng)ECS設(shè)置船舶參數(shù)、規(guī)劃計劃航線，之后進(jìn)行正向(反向)監(jiān)視，將計劃航線輸入至操舵儀設(shè)備中的減搖及航跡控制器，控制器根據(jù)減搖目標(biāo)及航跡保持要求得到轉(zhuǎn)舵指令和轉(zhuǎn)鰭指令，轉(zhuǎn)舵指令傳輸給操舵儀中的模擬器，通過模擬器中的船舶航向航跡運(yùn)動模擬解算得到模擬GPS信號、模擬計程儀信號、模擬羅經(jīng)信號以及實際舵角信號，再反饋至控制器中；同時控制器給出的轉(zhuǎn)鰭指令和模擬器給出的舵角信號通過串口傳輸?shù)酵庵秒娔X中搭建的Simulink仿真系統(tǒng)中，經(jīng)過船舶橫搖/鰭機(jī)運(yùn)動模擬得到的橫搖角和實際鰭角信號，也反饋回控制器。其中減搖及航跡控制器輸出航向、舵角信息至航向顯示器、舵角顯示器和綜合顯示器。

4 實驗仿真分析

在船載電子海圖系統(tǒng)上設(shè)置船型參數(shù)：船長100 m、船寬50 m，轉(zhuǎn)舵半徑650 m，GPS距船艏50 m、離左舷25 m。在PC機(jī)上將船舶模擬位置設(shè)置在廣東雷州半島附近，初始船位為北緯20°33′，東經(jīng)110°39.5′，船速設(shè)置為15 kn，初始航向為280°，計劃航線為W32—W33—W34—W35。采用前述控制器，得到仿真結(jié)果見圖3～7。

圖3 ECS的計劃航線

圖4 模擬航跡

圖5 模擬舵角和航向

圖6 鰭角α的變化

圖7 橫搖角φ的變化

圖3為船載電子海圖中規(guī)劃的計劃航線。

圖4為船舶航向航跡運(yùn)動模擬器給出的實際航跡，其中虛線為計劃航線，實線為船舶實際航行軌跡，圖4表明被控船舶能夠較好地跟蹤計劃航線航行。

圖5為相應(yīng)的舵角和航向變化。

圖6為在航跡控制過程中鰭角的變化。

圖7為經(jīng)過舵鰭聯(lián)合減搖控制后橫搖角的變化。仿真曲線表明，直線航行時，船舶橫搖角擺動幅度很小，在兩個轉(zhuǎn)彎過程中，由圖6可見，控制器會給出較大的控制鰭角以提供足夠的扶正力矩抑制船舶橫傾。由圖7可見，在轉(zhuǎn)彎過程中船舶橫搖角沒有明顯變化，仿真實驗結(jié)果表明所設(shè)計的舵鰭聯(lián)合減搖算法有效，在船舶航行過程中尤其是轉(zhuǎn)彎時具有較好的減搖效果。

5 結(jié)論

所設(shè)計的硬件在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)在實驗室條件下能夠模擬實際船舶舵鰭聯(lián)合減搖情況，通過電子海圖、模擬器和仿真結(jié)果直觀全面地驗證了船舶航跡控制下的舵鰭聯(lián)合減搖控制方法有效可行，同時這種半實物仿真實驗方法為舵鰭聯(lián)合操控儀的研究提供一定的實驗基礎(chǔ)。