海上航行補(bǔ)給中艦艇接近過(guò)程的自動(dòng)化控制問(wèn)題研究?

何 遙

（海軍裝備部 北京 100841）

1 引言

艦艇海上補(bǔ)給是對(duì)在海上航行或錨泊的艦艇進(jìn)行裝備、物資的補(bǔ)給［1］。通常由海上補(bǔ)給艦及艦載直升機(jī)組織實(shí)施。通過(guò)對(duì)艦艇進(jìn)行燃油、淡水、食品、武器彈藥、備品備件、維修器材等物資補(bǔ)給和人員的輸送，可以擴(kuò)大艦艇的作戰(zhàn)范圍，提高海上持續(xù)作戰(zhàn)能力。按艦艇航行狀態(tài)，補(bǔ)給分為海上航行補(bǔ)給、海上錨泊補(bǔ)給；按補(bǔ)給方法，分為海上航行橫向補(bǔ)給、海上航行縱向補(bǔ)給、海上垂直補(bǔ)給（直升機(jī)補(bǔ)給）和海上錨泊并靠補(bǔ)給等。本文主要研究的是海上航行橫向補(bǔ)給和縱向補(bǔ)給兩種補(bǔ)給方式。

2 船位控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域，海上補(bǔ)給的關(guān)鍵技術(shù)核心在于船舶的船位控制技術(shù)，即動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP）技術(shù)［2］。自 20世紀(jì) 60年代動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP）技術(shù)投入應(yīng)用以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了3代產(chǎn)品。其主要功能是使在進(jìn)行海上航行補(bǔ)給作業(yè)中的補(bǔ)給船能夠跟蹤接收船，兩船在動(dòng)力定位系統(tǒng)指揮下抵抗外界環(huán)境干擾，保持某一航向及相對(duì)固定的空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定的補(bǔ)給作業(yè)環(huán)境。良好的動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP）應(yīng)具有不受海洋環(huán)境影響、定位準(zhǔn)確迅速、快速響應(yīng)海流、海風(fēng)等天氣變化的特點(diǎn)。動(dòng)力定位系統(tǒng)通常劃分成以下6個(gè)部分［3］，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP）的組成

艦艇海上航行補(bǔ)給作業(yè)中補(bǔ)給環(huán)境復(fù)雜，對(duì)補(bǔ)給艦和接收艦運(yùn)動(dòng)時(shí)的航向及運(yùn)動(dòng)軌跡都有嚴(yán)格要求，比一般的船舶動(dòng)力定位實(shí)現(xiàn)起來(lái)更困難，必須精準(zhǔn)控制。目前，在理論研究領(lǐng)域包括有魯棒控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、非線性模型預(yù)測(cè)控制和滑?？刂频瓤刂品椒ǎ?～5］，對(duì)現(xiàn)行的動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP）技術(shù)在定位精確性上進(jìn)行了優(yōu)化研究，但這些方法普遍的局限性在于難以客觀地分析艦船在海面上的綜合運(yùn)動(dòng)軌跡，包括由風(fēng)、海流，一、二階波浪力等共同引起的高、低頻運(yùn)動(dòng)。本文采用“PID控制”方法，建立并設(shè)計(jì)基于“PID控制”原理的艦艇動(dòng)力定位控制模塊和結(jié)構(gòu)模型，在方法上對(duì)艦艇補(bǔ)給時(shí)海平面內(nèi)多個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)實(shí)施綜合控制。

3 PID控制器

在工程控制領(lǐng)域，“PID控制器”應(yīng)用最為廣泛，它由比例單元P、積分單元I及微分單元D組成［6］。該控制器原理如圖2所示。

圖2 PID控制器原理圖

PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，從而對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制［7～9］。

1）控制器的微分方程為［10］

式中 e(t)=r(t)-c(t)。

2）控制器的傳輸函數(shù)為［11］

3）控制器各校正環(huán)節(jié)的作用包括

比例環(huán)節(jié)：控制器可成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t）。一旦產(chǎn)生偏差，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

積分環(huán)節(jié)：主要用于提高系統(tǒng)的精度，消除靜差。積分時(shí)間常數(shù)TI決定了積分作用的強(qiáng)弱，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

微分環(huán)節(jié)：主要反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，一旦偏差信號(hào)值變大且變化速率較快，可對(duì)系統(tǒng)發(fā)出有效的修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間［12］。

4 海上橫向補(bǔ)給中艦艇接近自動(dòng)化控制器設(shè)計(jì)

4.1 海上橫向補(bǔ)給的特點(diǎn)及補(bǔ)給過(guò)程

橫向補(bǔ)給是海上補(bǔ)給中主要的一種補(bǔ)給方式。補(bǔ)給時(shí)，補(bǔ)給艦和接收艦編成橫隊(duì)，保持同向同速航行。通過(guò)跨接于兩艦間的橫向補(bǔ)給裝置，由補(bǔ)給艦向接收艦實(shí)施物資補(bǔ)充。橫向補(bǔ)給有以下特點(diǎn)。

一是補(bǔ)給品種多，可以補(bǔ)給燃料、淡水、食物、備品備件等多種補(bǔ)給品，以滿足各類型艦船的補(bǔ)給需要。

二是需要由專業(yè)艦船，即補(bǔ)給艦進(jìn)行補(bǔ)給。補(bǔ)給時(shí)可在補(bǔ)給艦一舷向一艘接收艦補(bǔ)給；也可在兩舷同時(shí)進(jìn)行多艦補(bǔ)給。

三是補(bǔ)給時(shí)采用的索具和輸油軟管相對(duì)較短，位置處于海面之上，可在相對(duì)較高的航速下進(jìn)行補(bǔ)給作業(yè)，且軟管和補(bǔ)給裝置對(duì)接和解脫方便，作業(yè)操作相對(duì)便捷［13］。

橫向補(bǔ)給的難點(diǎn)在于，補(bǔ)給時(shí)兩艦距離相對(duì)較近，其空間位置不能有大的變化，一旦操縱失誤或機(jī)械發(fā)生故障，容易造成嚴(yán)重事故。因此，要求艦艇指揮員有較高的操縱水平。

在橫向補(bǔ)給過(guò)程中，補(bǔ)給艦應(yīng)不斷地獲取接收船的位置關(guān)系信息，使補(bǔ)給艦航行至接收艦附近。在補(bǔ)給艦靠近接收艦時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)調(diào)節(jié)和控制補(bǔ)給艦與接收艦同向同速，保持一定的補(bǔ)給間距航行，即保持兩船相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。具體航行過(guò)程如圖3所示。

圖3 艦艇橫向補(bǔ)給的并靠過(guò)程

4.2 艦艇航跡PID控制器控制模塊

當(dāng)進(jìn)行橫向補(bǔ)給時(shí)，可設(shè)定艦艇航跡PID控制器。航跡PID控制器會(huì)首先在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定好與兩艦橫向補(bǔ)給中距離要求相適應(yīng)的目標(biāo)航線，以此作為給定航線。當(dāng)補(bǔ)給艦與接受艦收到補(bǔ)給指令后，會(huì)根據(jù)各自現(xiàn)有的航跡，向目標(biāo)航線調(diào)整，此時(shí)航跡PID控制器會(huì)不斷調(diào)整兩者之間的夾角ψ（圖3所示），直至ψ角變?yōu)?°時(shí)，兩船便均進(jìn)入目標(biāo)航跡，達(dá)到相向而行。其控制模塊原理如圖4所示。

圖4 航跡PID控制模塊

4.3 艦艇角度PID控制器控制模塊

在航跡PID控制器進(jìn)行航向調(diào)整的同時(shí)，還應(yīng)設(shè)定艦艇角度PID控制器。自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸?shù)膬膳灳唧w坐標(biāo)，判斷出船體的相對(duì)位置，從而對(duì)船速進(jìn)行控制。艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算出兩艦船體中心的夾角θ（圖3所示），角度PID控制器進(jìn)而會(huì)根據(jù)θ與0°間的偏差，不斷輸出指令至動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整航速使θ角接近為0，從而使兩艦同向同速，達(dá)到橫向補(bǔ)給的條件。其控制模塊原理如圖5所示。

圖5 角度PID控制模塊

在以經(jīng)緯度為基礎(chǔ)的地球坐標(biāo)系中，兩艦通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷獲得航向和經(jīng)緯坐標(biāo)等信息，從而得到PID控制器的輸入誤差值ψ和θ，兩者分別滿足以下關(guān)系：

航跡與角度控制器通過(guò)對(duì)誤差信息的處理，不斷作出調(diào)整，同時(shí)將糾偏量反饋回來(lái)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)化控制過(guò)程。如圖6所示，被控量為夾角，隨著時(shí)間的變化，角度不斷縮小，最終在角度PID控制器的作用下，趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)兩艦的同向同速，如圖6所示。

圖6 角度PID控制器控制效果示意圖

4.4 橫向補(bǔ)給自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

在橫向補(bǔ)給中，由于控制對(duì)象是水面艦艇，所以動(dòng)力定位系統(tǒng)主要反映艦艇在水平面內(nèi)的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)。在補(bǔ)給作業(yè)中，補(bǔ)給艦與接收艦需要同時(shí)進(jìn)行航向和航速的調(diào)整，動(dòng)力定位的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的控制器，即前文所述的航跡PID控制器和角度PID控制器，從而分別控制艦艇在兩個(gè)狀態(tài)上的運(yùn)動(dòng)。艦艇橫向補(bǔ)給自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型原理如圖7所示。

圖7 橫向補(bǔ)給接近過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

該系統(tǒng)中，航跡PID控制器的輸入為艦艇即時(shí)航向與目標(biāo)航向的偏差，輸出為方向舵指令。角度PID控制器的輸入為補(bǔ)給艦中心連線與航向垂線之間的夾角，輸出為速度控制指令。在該自動(dòng)化控制系統(tǒng)作用下的艦艇速度會(huì)經(jīng)歷從加速階段，到在最大經(jīng)濟(jì)航速下的勻速階段，靠近后不斷減速，最終以同樣的速度相向航行，保持相對(duì)靜止。具體過(guò)程如圖8所示。

圖8 自動(dòng)化控制系統(tǒng)輸出指令控制下的艦艇航速示意圖

5 海上縱向補(bǔ)給中艦艇接近自動(dòng)化控制器設(shè)計(jì)

5.1 海上縱向補(bǔ)給的特點(diǎn)及補(bǔ)給過(guò)程

縱向補(bǔ)給是應(yīng)用最早的補(bǔ)給方法。補(bǔ)給時(shí)，補(bǔ)給艦和接收艦編成縱隊(duì)，保持同向同速航行。通過(guò)跨接于兩艦間的縱向補(bǔ)給裝置，由補(bǔ)給艦向接收艦船實(shí)施液貨補(bǔ)充?？v向補(bǔ)給有以下特點(diǎn)。

一是補(bǔ)給品種少，主要用于液貨，即燃料、淡水、液體物品等的補(bǔ)給。

二是補(bǔ)給裝置簡(jiǎn)單，補(bǔ)給時(shí)艦船之間不容易發(fā)生碰撞，操縱相對(duì)簡(jiǎn)單，能在較惡劣的海況下進(jìn)行作業(yè)。

縱向補(bǔ)給的不足在于，只能補(bǔ)給液貨、輸油（液）軟管較長(zhǎng)，而且浸于水中，增加了艦船運(yùn)動(dòng)的阻力。傳遞和撈收油（液）軟管較為繁瑣，機(jī)動(dòng)性較差，不宜于在作戰(zhàn)情況下進(jìn)行。因此，縱向補(bǔ)給應(yīng)盡可能縮減補(bǔ)給時(shí)間，通過(guò)自動(dòng)化控制，快速到達(dá)補(bǔ)給位置，爭(zhēng)取戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)。

與橫向補(bǔ)給過(guò)程不同，縱向補(bǔ)給并不需要補(bǔ)給艦與接收艦保持位置平行，兩者只需要處于同一航線即可。補(bǔ)給時(shí)，兩艦不斷向預(yù)定航線靠近，最終實(shí)現(xiàn)同向同速，保持一定的間距進(jìn)行補(bǔ)給作業(yè)。具體過(guò)程如圖9所示。

圖9 艦艇縱向補(bǔ)給的接近過(guò)程

5.2 艦艇距離PID控制器控制模塊

當(dāng)進(jìn)行縱向補(bǔ)給時(shí)，與橫向補(bǔ)給相同，也應(yīng)設(shè)定艦艇航跡PID控制器。此時(shí)航跡PID控制器會(huì)不斷調(diào)整兩者之間的夾角Ψ，直至Ψ角變?yōu)?°，達(dá)到補(bǔ)給作業(yè)條件。不同的是，兩船進(jìn)入的目標(biāo)航線為同一航線，還應(yīng)設(shè)定距離PID控制器。自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸?shù)膬膳灥木唧w坐標(biāo)，計(jì)算出兩船船體中心的距離R，距離PID控制器進(jìn)而會(huì)根據(jù)R與目標(biāo)距離R0間的偏差，不斷輸出指令至動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整航速使R接近為R0，從而使兩艦同向同速，達(dá)到縱向補(bǔ)給的條件。其控制模塊原理如圖10所示。

圖10 距離PID控制模塊

在以經(jīng)緯度為基礎(chǔ)的地球坐標(biāo)系中，兩艦通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷獲得航向和經(jīng)緯坐標(biāo)等信息，從而得到PID控制器的輸入誤差值ψ和R，兩者分別滿足以下關(guān)系：

其中，T0為共同的目標(biāo)航線，ψ1、ψ2分別為兩艦當(dāng)前航向與目標(biāo)航線的夾角，R為兩艦之間的距離（其中，R的單位為海里；Y1、Y2的單位為度，經(jīng)上述換算后轉(zhuǎn)化為距離）。如圖11所示，被控量為距離，隨著時(shí)間的變化，距離不斷縮小，最終在距離PID控制器的作用下，趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)兩艦的同向同速。

圖11 距離PID控制器控制效果示意圖

與橫向補(bǔ)給中角度PID作用效果一樣，距離PID控制器的輸出指令仍為螺旋槳或艦船主機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)距離的控制，來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)速，以航速變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的反饋調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)兩艦同航跡同速度。

5.3 縱向補(bǔ)給自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

與橫向補(bǔ)給相比，縱向補(bǔ)給控制量相對(duì)簡(jiǎn)單。在保留航跡PID控制器基礎(chǔ)上，由于縱向補(bǔ)給的特點(diǎn)，角度PID控制器已經(jīng)不再適用，以距離PID控制器代替，但控制的輸出要素不變，仍然分別為方向舵指令和速度控制指令。在補(bǔ)給作業(yè)中，補(bǔ)給艦與接收艦同時(shí)進(jìn)行航向和航速的調(diào)整，動(dòng)力定位的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仍應(yīng)設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的控制器，分別控制艦艇在兩個(gè)狀態(tài)上的運(yùn)動(dòng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖12所示。

圖12 縱向補(bǔ)給接近過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

該系統(tǒng)中，航跡PID控制器的輸入為艦艇即時(shí)航向與目標(biāo)航線的偏差，輸出為方向舵指令。距離PID控制器的輸入為補(bǔ)給艦中心連線之間的實(shí)際距離與目標(biāo)距離的偏差，輸出為速度控制指令。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以艦艇海上航行補(bǔ)給的自動(dòng)化控制系統(tǒng)為研究背景，針對(duì)艦艇航跡、角度及距離控制進(jìn)行了基礎(chǔ)研究。建立了基于PID控制原理的艦艇航跡、角度和距離自動(dòng)化控制模塊，并分別設(shè)計(jì)了基于PID控制原理的艦艇橫向、縱向補(bǔ)給自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為更好地實(shí)現(xiàn)PID控制原理在艦艇海上航行補(bǔ)給的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。