CN103293952A - 船舶主机自抗扰控制器 - Google Patents

Abstract

一种船舶主机自抗扰控制器，其特征在于该***由包括自抗扰控制器、油门伺服机构、船舶主机数学模型、风浪流干扰信号构成；所说的自抗扰控制器的输入端接收速度设定信号和由实际速度信号做比较，经自抗扰控制器处理后，输出端连接油门伺服机构的输入端，传递输出控制信号；油门伺服机构输出端连接船舶主机数学模型输入端；输出端实际速度连接自抗扰控制器输入端。船舶主机自抗扰控制器克服船舶主机转速控制过程都存在非线性、时变以及受到环境的干扰而具有不确定性的问题，使船舶主机速度切换控制过程快速、平滑，油门调整小，可以实现高精度的速度。

Description

船舶主机自抗扰控制器

技术领域

本发明涉及一种船舶运动控制算法，尤其涉及一种船舶主机速度控制器。 

背景技术

船舶交通承担着90％以上的国际贸易运输量，随着经济的不断发展，海上交通的密集度越来越大，对航行的安全性和经济性的要求也越来越高，因此对船舶的航行控制就成为一个重要研究课题。 

船舶主柴油机性能的优劣及寿命很大程度上取决于其调速***的性能。目前国内外先进的船舶主机调速***大多采用了数字调速器，控制规律主要采用PID控制器。而船舶主机转速控制过程都存在非线性、时变以及必需的开停车，操作人员的误操作以及控制对象不可避免地受到环境的干扰而具有不确定性，这些不确定性应该被看作是控制***的重要的综合特性。控制***若要获得最优性能指标，仅靠传统控制规律设计的PID控制器是很难满足要求的，因为这种控制器通常是在控制***为恒系数和环境干扰变化不太大的条件下，才能得到希望的性能，否则，控制***不能保证最优性能，甚至变成不稳定。 

发明内容

为了克服船舶主机转速控制过程都存在非线性、时变以及控制对象不可避免地受到环境的干扰而具有不确定性的特点，设计了一种具有较强鲁棒性的船舶主机自抗扰控制器，使船舶主机速度切换控制过程快速、平滑，油门调整小，可以实现高精度的速度。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种船舶主机自抗扰控制器，其特征在于该***由包括自抗扰控制器、油门伺服机构、船舶主机数学模型、风浪流干扰信号构成；所说的自抗扰控制器的输入端接收速度设定信号和由实际速度信号做比较，经自抗扰控制器处理后，输出端连接油门伺服机构的输入端，传递输出控制信号；油门伺服机构输出端连接船舶主机数学模型输入端；输出端实际速度连接自抗扰控制器输入端。 

上述所说的自抗扰控制器由TD(跟踪微分器)、ESO(扩张状态观测器)和NLSEF(非线性状态误差反馈)三个部件组成；其中，给定速度信号连接到TD输入端，安排过渡过程，实现对***输入信号的快速无超调跟踪，并给出良好的微分信号；被控对象的输入控制信号及实际速度信号连接到ESO，用来估计***状态，得到***被控对象的状态估计；与微分信号比较后得到的误差信号连接到NLSEF信号输入端，经过合适的“非线性配置”，就实现了非线性状态误差反馈控制律，从信号输出端将控制信号输出，送入油门伺服机构的输入端。 

上述所说的油门伺服机构和船舶主机数学模型，建立包含油门伺服机构的船舶主机一体化数学模型。 

上述所说的风浪流干扰信号采用综合综合正态分布随机干扰和综合均匀随机干扰信号。 

本发明的工作原理：实际速度信号传送给自抗扰控制器；自抗扰控制器将给定速度信号和实际速度信号分别进行处理，将给定速度信号安排过渡过程处理，对实际速度信号经扩张状态观测器处理，再将以上两类信号分别相减处理，得到误差信号和误差信号的微分信号，然后将其进行非线性组合处理之后输出控制信号至包含油门伺服机构的船舶主机一体化数学模型；船舶主机一体化数学模型收到自抗扰控制器输出的控制信号后，经过内部处理，调整油门，改变船舶主机转速，从而达到控制船舶速度的目的。 

本发明的有益效果是，船舶主机自抗扰控制器克服船舶主机转速控制过程都存在非线性、时变以及受到环境的干扰而具有不确定性的问题，使船舶主机速度切换控制过程快速、平滑，油门调整小，可以实现高精度的速度。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是本发明的***结构图。 

图2是本发明的自抗扰控制器。图中TD是跟踪微分器，ESO是扩张状态观测器，NLSEF是非线性状态误差反馈，v是***输入信号，跟踪微分器的v₁是安排过渡过程，v₂，…，v_n为此过渡过程的各阶导数，z₁，…，z_n为扩张状态观测器对被控对象的状态变量的估计，z_n+1视为对未知扰动(包括外界扰动及不确定模型)的估计，e₁，…，e_n为上述两种变量的偏差，u₀为误差反馈控制量，u为控制量，y为***输出信号，ω为外部扰动信号。 

具体实施方式

一种船舶主机自抗扰控制器，见图1，该***由包括自抗扰控制器(1)、油门伺服机构(2)、船舶主机数学模型(3)、风浪流干扰信号(4)构成；所说的自抗扰控制器的输入端接收速度设定信号和由实际速度信号做比较，经自抗扰控制器处理后，输出端连接油门伺服机构的输入端，传递输出控制信号；油门伺服机构输出端连接船舶主机数学模型输入端；输出端实际速度连接自抗扰控制器输入端。 

自抗扰控制器(1)，见图2，由TD(跟踪微分器)、ESO(扩张状态观测器)和NLSEF(非线性状态误差反馈)三个部件组成；其中，给定速度信号连接到TD输入端，安排过渡过程，实现对***输入信号的快速无超调跟踪，并给出良好的微分信号；被控对象的输入控制信号及实际速度信号连接到ESO，用来估计***状态，得到***被控对象的状态估计；与微分信号比较后得到的误差信号连接到NLSEF信号输入端，经过合适的“非线性配置”，就实现了非线性状态误差反馈控制律，从信号输出端将控制信号输出，送入油门伺服机构的输入端。本***采用二阶自抗扰控制器。 

根据二阶自抗扰控制器的设计可以得到控制算法为： 

(1)TD离散算法 

二阶TD的离散形式为： 

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1(k+1)=v_1\left(k\right)+{\mathrm{Tv}}_2\left(k\right)\\ v_2(k+1)=v_2\left(k\right)+\mathrm{Tfhan}(v_1\left(k\right)-v\left(k\right),v_2\left(k\right),r,h)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中fhan(v₁，v₂，r，h)为最速控制综合函数，v₁跟踪***输入信号v，v₂跟踪v的导数，r，h为要调节的参数，T为步长。 

(2)ESO离散算法 

对于二阶***，ESO的离散算法为： 

$\left\{\begin{array}{c}e\left(k\right)=z_1\left(k\right)-y\left(k\right)\\ z_1(k+1)=z_1\left(k\right)+T[z_2\left(k\right)+{\mathrm{\β}}_{01}e\left(k\right)]\\ z_2(k+1)=z_2\left(k\right)+T[z_3\left(k\right)-{\mathrm{\β}}_{02}\mathrm{fal}(e\left(k\right),0.5,{\mathrm{\δ}}_{01})+b_{0}u\left(k\right)]\\ z_3(k+1)=z_3\left(k\right)-T{\mathrm{\β}}_{03}\mathrm{fal}(e\left(k\right),0.25,{\mathrm{\δ}}_{02})\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中z₁(k)，z₂(k)，z₃(k)为扩张状态观测器对被对象的状态变量的估计，y(k)为***被控输出，δ₀₁，δ₀₂，b₀，β₀₁，β₀₂，β₀₃为可调参数，T为采样步长。 

(3)NLSEF的离散算法 

误差的NLSEF形成控制量的离散算法为： 

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1\left(k\right)=v_1\left(k\right)-z_1\left(k\right)\\ e_2\left(k\right)=v_2\left(k\right)-z_2\left(k\right)\\ u_0\left(k\right)=k_p\mathrm{fal}(e_1\left(k\right),{\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\δ}}_1)+k_d\mathrm{fal}(e_2\left(k\right),{\mathrm{\α}}_2,{\mathrm{\δ}}_2)\\ u\left(k\right)=u_0\left(k\right)-\frac{z_3\left(k\right)}{b_0}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中k_p，k_d，δ₁，δ₂，α₁，α₂，b₀为可调参数。 

油门伺服机构(2)和船舶主机数学模型(3)，建立包含油门伺服机构的船舶主机一体化数学模型。采用的柴油机主机为MAN B&W S60M大型低速柴油机(60代表缸径为60cm)，其主要的船模参数为：主机时间常数T₁为12.1秒，主机放大系数K为93.8，油门位移纯滞后时间τ为0.037秒。得到船舶主机一体化数学模型： 

$G\left(S\right)=\frac{93.8}{12.1S+1}\·\frac{1062.76}{S^2+45.9S+1062.72}\·e^{-0.037S}---\left(4\right)$

风浪流干扰信号(4)采用综合综合正态分布随机干扰和综合均匀随机干扰信号。 

风、浪、流综合正态分布随机干扰： 

ω＝(4.58H₁+3.44H₂)°(5) 

式中，H₁，H₂是两个相互独立的服从标准正态分布N(0，1)的伪随机变量。 

风、浪、流综合均匀随机干扰： 

ω＝(4.58H₃+3.44H₄)°(6) 

式中，H₃，H₄是两个相互独立的服从[0，1]均匀分布的伪随机变量。 

本发明的工作原理：实际速度信号传送给自抗扰控制器；自抗扰控制器将给定速度信号和实际速度信号分别进行处理，将给定速度信号安排过渡过程处理，对实际速度信号经扩张状态观测器处理，再将以上两类信号分别相减处理，得到误差信号和误差信号的微分信号，然后将其进行非线性组合处理之后输出控制信号至油门伺服机构的船舶主机一体化数学模型；船舶主机一体化数学模型收到自抗扰控制器输出的控制信号后，经过内部处理，调整油门，改变船舶主机转速，从而达到控制船舶主机速度的目的。 

具体实施方式

本发明研制的数字式小型船舶自动操舵仪，如图1所示，主要包括： 

控制器单元(1)，采用先进的32位Cortex STM32系列ARM微处理器，通过采集磁罗经传感器检测的船舶实际航向信号，与给定航向信号做比较，若有偏差即得偏航角，通过算法产生偏舵角，根据它与实际舵角比较，得到实际舵角偏差去控制舵，从而改变航向，如此反复，直至实际航向与给定航向信号二者偏差为零，达到船舶按规定航向行驶的目的； 

给定航向信号单元(2)，是由电位器旋钮产生的电压信号，电压范围为0～3.3V，对应航向0-360度，通过ARM控制器AD通道处理即可； 

实际航向信号单元(3)，是由磁罗经传感器得到的，但磁罗经测得航向信息只能由肉眼读取，因此使用磁罗经转换器，把机械式磁罗经的航向信息转换为数字信号，以485总线接口半双工方式与控制器进行通信； 

实际舵角信号单元(4)，是通过舵角反馈装置测得的，并以电压信号形式输出，但因电压信号不能远传，自行开发了舵角发送装置，通过它把电压信号转换为数字信号以485总线方式发送给控制器； 

电磁阀驱动电路单元(5)，船舶液压舵机***的控制只需通过控制电磁阀的开闭改变液体流动从而控制舵的运动，控制电磁阀所需驱动电流一般都比较大，而且操舵过程中开关次数比较频繁，选用了大电流 的MOS管IRF9540N做为控制电磁阀的开关器件，还选用TLP521做了电气隔离，有效的隔离了电磁阀端引入的干扰信号，实现电磁阀的有效控制； 

HDT(艏向)信号单元(6)，以485总线方式向外输出标准的HDT信号，以便其它船舶设备使用； 

显示单元(7)，以485总线方式向外输出实际舵角、给定航向、实际航向等信息，利用相应显示仪表显示出来。 

整机工作原理如图2所示，设计制造一种数字式小型船舶自动操舵仪，控制器采用先进的32位CortexSTM32系列ARM微处理器，通过采集磁罗经传感器检测的船舶实际航向信号，与给定航向信号做比较，若有偏差即得偏航角，通过算法产生偏舵角，根据它与实际舵角比较，得到实际舵角偏差去控制舵，从而改变航向，如此反复，直至实际航向与给定航向信号二者偏差为零，达到船舶按规定航向行驶的目的。 

Claims (4)

1.一种船舶主机自抗扰控制器，其特征在于该***由包括自抗扰控制器、油门伺服机构、船舶主机数学模型、风浪流干扰信号构成；所说的自抗扰控制器的输入端接收速度设定信号和由实际速度信号做比较，经自抗扰控制器处理后，输出端连接油门伺服机构的输入端，传递输出控制信号；油门伺服机构输出端连接船舶主机数学模型输入端；输出端实际速度连接自抗扰控制器输入端。

2.上述所说的自抗扰控制器由TD(跟踪微分器)、ESO(扩张状态观测器)和NLSEF(非线性状态误差反馈)三个部件组成；其中，给定速度信号连接到TD输入端，安排过渡过程，实现对***输入信号的快速无超调跟踪，并给出良好的微分信号；被控对象的输入控制信号及实际速度信号连接到ESO，用来估计***状态，得到***被控对象的状态估计；与微分信号比较后得到的误差信号连接到NLSEF信号输入端，经过合适的“非线性配置”，就实现了非线性状态误差反馈控制律，从信号输出端将控制信号输出，送入油门伺服机构的输入端。

3.上述所说的油门伺服机构和船舶主机数学模型，建立包含油门伺服机构的船舶主机一体化数学模型。

4.上述所说的风浪流干扰信号采用综合综合正态分布随机干扰和综合均匀随机干扰信号。

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