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河北华利机械配件有限公司

船舶動力定位手柄操作模式PID解耦控制

2013/7/10 15:16:18

 

    張景鴻,王欽若,葉寶玉,熊建斌

    (廣東工業大學自動化學院,廣東廣州510006

  要:針對船舶動力定位手柄操作模式表現出的多變量、強耦合、非線性和時變性等特點,提出了一種增量式PID解耦控制方法。考慮橫蕩速度與艏搖角速度之間的耦合問題,采用前饋補償解耦法對船舶的動力學模型進行解耦;根據解耦後的船舶動力學模型,采用增量式PID控制算法分別對縱蕩速度、橫蕩速度和艏搖角3個自由度設計相應的控制器。仿真結果表明,該控制器跟蹤快、實時性較好、魯棒性強,可以滿足工程應用的要求。

關鍵詞:動力定位;動力學模型;手柄;解耦;PID控制

中圖法分類號:TP273  文獻標識號:文章編號:1000-7024 (2012) 12-4736-05

 

    動力定位(dynamic positioningDP)是指不借助錨泊系統而通過自身動力使船舶保持在預定的位置,DP系統一般由位置測量系統,控制系統和推力系統三部分組成‘’2。。與傳統錨泊的方式相比,DP系統定位精確,機動性強,操作方便且不受水深限制。海洋開發事業的發展促使對DP系統的需求不斷增長,並加人對DP系統的研究力度。目前DP系統韻操作模式有手柄操作模式、艏向控制、自動導航、定位保持、目標跟蹤和自動航迹2。。船舶動力定位手柄操作模式是指通過一只手柄来操纵船舶,具有操纵灵活、简单、反应快等优点。针对手柄操作模式的工作原理和船舶的动力学模型,提出了使用增量式PID解耦控制方法。文中

船舶運動學模型

    船舶手柄操縱模式是指使用操作面板上的手柄來手動控制船舶的前進、後退、橫移、停【f:、轉向、斜航以及航速。在船舶靠離港LJ、平台作業時尤爲適用,該操作方式靈活、簡單、可靠。

    在建立船舶數學模型時,通常采用兩種坐標系:人地坐標系OEXE YEZE和隨船坐標系OX YZ,如圖1所示。在人地坐標系中,XE指向正北,YE指向正東,ZE指向地心;在隨船坐標系中,坐標原點0位于船的質點,X軸指向船艏,y軸指向船的右弦,Z軸指向船底,妒爲船舶的艏搖角。

    在風、浪、流作用下,無約束的船舶運動具有6个自由度的运动特征,每个自由度都包含了高频和低频运动。一般来说,高频运动并不会使船舶产生位置变化,因此動力定位仅考虑纵荡、横荡和艏摇3個自由度在水平面的低頻運動。船舶手柄控制模式主要考慮縱蕩速度、橫蕩速度以及艏搖角的運動控制,從船舶的動力學方程式(2)可以看出,船舶在橫蕩速度與艏搖角速度上存在耦合,首先要設計解耦環節來消除它們之間的耦合,實現各回路間的獨立控制。

2 PID解耦控制器設計

2.1解耦控制

    在多輸入多輸出控制系統中,當輸入輸出之間相互影響較強時,會妨礙各回路變量的獨立控制作用,甚至破壞系統的正常工作。因此,需考慮使用解耦控制來消除變量間耦合的影響。對多變量耦合系統的解耦,目前使用較多的有:前饋補償解耦法、反饋解耦法、對角陣解耦法和單位陣解耦法6-8]。前饋補償解耦法結構簡單,易于實現,效果顯著,在工程得到廣泛應用。帶前饋補償器的全解耦系統框圖如圖2所示。

2.2  增量式PID算法設計

    隨著計算機進入控制領域以來,數字式控制器的應用越來越廣泛。控制算法和邏輯功能可以通過數字計算機來實現,使控制更加靈活。何置式、增量式和速度式是理想PID箅式的3種離散表達式。使用位置式PID計算時要對e(k)進行累加,運算量人‘9-11]。而且,其控制量r(k)的輸出直接對應執行機構的輸入,當計算機故障發生時,執行機構會産生人幅度變化,這會導致元件受損甚至釀成生産事故。而增量式PID只輸出控制的增量△r(k),所以誤動作是影響小。△r()通過A時刻的偏差和前兩個時刻的偏差來計算,A時刻的控制量f (k)由△r()fk-l)相加而成。通過这样的加权处理可以减少计算时间,节约内存,并且获得较好的控制效果。使用增量式PID手動/自動切換時沖擊小,便于實現無擾動切換rio]。在船舶動力定位手柄操作模式下,系统输入信号通過手柄和旋转编码器输入,选用可编程序逻辑控制器(programrnable logic con-trollcrPLC)作爲主控制器,要求系統的輸出能快速反應,增量式PID能滿足該模式下的控制要求。

     手柄三轴分别输入纵荡速度,横荡速度和艏摇角速度限值,艏搖角通過旋转编码器输入。船舶在旋转过程中速度不能太快,所以通過手柄Z轴来输入艏摇角速度的限值。外载荷力风、浪、流通過前馈补偿到控制器输出。其系统框架如圖3所示。

    根據所選供給船的模型參數,選取仿真采樣時間爲1. 2s,設船的縱蕩速度“給定爲20ms,橫蕩速度”給定爲lOms,艏搖角Ang給定爲50。。縱蕩速度控制器的比例系數Kci0.3,積分時間常數Tl.r47. 24,微分時問常數TD_r0.4724。橫蕩速度控制器的比例系數Kcy0. 29,積分時間常數Tly23. 967.微分時間常數TDy0. 2397。艏搖角由外環控制器控制角度,內環控制器控制艏搖角速度。艏搖角控制器的比例系數Kcang0.1,積分時間常數Tlang2.0747,微分時間常數TDangO;艏搖角速度控制器的比例系數Kca0.029,積分時間常數Tla6.224,微分時間常數TDa0.06224。調節艏搖角控制回路時,先整定內環參數,使得艏搖角加速度輸出基本穩定,然後再設定外環參數。在靜水環境進行仿真,所以取外載荷力爲O,仿真波形如圖4~圖6所示。

    從圖4~圖6可知,船舶的縱蕩速度、橫蕩速度和艏搖角過渡過程平穩,超調量小,反應迅速,本文設計的PID解耦控制器取得比較滿意的控制效果,並能滿足船舶在實際應用中的控制要求。

    分別改變橫蕩速度和艏搖角度的輸入,驗證PID解耦控制器的解耦情況。分別改變橫蕩速度和艏搖角,觀察輸出波形的變化。給定船舶的橫蕩速度爲30ms,艏搖角保持50。,仿真波形如圖7所示。

    船舶的艏搖角改爲200。,橫蕩速度保持lOms,仿真波形如圖8所示。

    由圖5-6与圖7~圖8比較可知,橫蕩速度的輸入改變並不會引起艏搖角的輸出,而艏搖角輸入的改變對橫蕩速度的輸出也沒有影響,說明文中使用的解耦環節能有效消除了橫蕩速度跟艏搖角之間的耦合。

    改變船舶仿真模型的參數,船舶的參數由式(13)變爲式(14)PID解耦控制器的参数保持不变。仿真波形如圖9所示,可以看出當船舶的參數改變後,船舶縱蕩速度,橫蕩速度和艏搖角輸出波形的調節時間增加,超調量也變火,但仍能滿足控制要求,證明該控制器在模型參數變化時具有較強的魯棒性

結束語

    根據手柄操作模式的工作原理和船舶的動力學模型,設計了一個增量式PID解耦控制器,实现船舶動力定位的手柄操作模式。首先使用前馈补偿解耦算法有效地消除横荡速度与艏摇角速度之间的耦合,然后利用增量式PID控制算法分別對縱蕩速度、橫蕩速度和艏搖角3個自由度進行相應的控剖。仿真結果驗證PID解耦控制器的有效性,超調小,反應快,在改變輸入及船舶參數時系統仍能滿足控制要求。該控制器易于工程上實現,具有較強的魯棒性。

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