基于硬件在環的舵鰭聯合減搖實驗系統設計

(海軍工程大學 導航工程系，武漢 430033)

船舶在轉彎過程中，會產生較大的橫搖，過大的橫搖會降低船舶的安全性[1]，因此，研究舵鰭聯合減搖及航跡保持具有一定的工程應用價值。目前，國內外已經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系統控制船舶的航向、航跡，通過減搖鰭控制器實現船舶減搖，兩個系統獨立工作，系統之間沒有直接聯系。根據實際的船舶航行經驗，在航行過程中，操舵控制會影響船舶的橫搖運動，鰭的運動會影響船舶的艏搖運動，因此，將相互獨立的舵控制系統與鰭控制系統聯合起來，綜合考慮兩種控制的耦合效應，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合減搖情況，也無法驗證所設計的控制算法在實船上是否有效可行。針對這一問題，設計構建舵鰭聯合減搖的硬件在環實驗系統，以文獻[4]為基礎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船舶航跡全局NPD最優控制算法設計舵鰭聯合減搖控制算法，通過實際物理信號與Simulink環境下建立的仿真系統模型實時通信，進行半實物實時仿真，以檢驗實驗系統的可行性及設計的算法在減搖與航跡控制方面的有效性。

1 船舶運動模型

在船舶航行過程中，船舶直線航跡運動非線性模型為

(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。對于大部分船舶α≥0成立；當β=1時，為直線穩定船舶；當β=-1時，為直線不穩定船舶。

對于船舶橫搖運動，根據Conolly的理論及當船舶橫搖運動較小時，可對其線性化，得到線性橫搖數學模型。

由于舵角與艏搖角速度對橫搖角的耦合較強，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，其值可以根據船舶參數，利用文獻[6]中計算船舶運動的分離型模型或者通過回轉實驗獲得。

(4)

聯立式(1)、(3)、(4)，可得到船舶航跡控制及橫搖運動非線性模型。

2 航跡控制及減搖算法

文獻[7]提出的基于最優控制的船舶航跡全局NPD控制律為

δc=-kψ(ψ+f(y))-krr

(6)

船舶進行舵鰭聯合減搖控制過程中，尤其當船舶進行轉彎運動時，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控制器無法消除艏搖角速度和舵角造成的船舶橫搖運動。若要提高減搖效果，則應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為控制器中相應的狀態反饋系數。

3 硬件在環實驗系統設計

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動，通過串口實現操舵儀控制器和仿真系統的實時通信，實現半實物仿真。模擬器中的數據和Simulink仿真結果，可以更加直觀全面地反映船舶的航線跟蹤情況和舵鰭聯合減搖的效果。

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

圖1 硬件在環仿真系統

圖2 硬件在環仿真系統結構

由圖2可知，整個系統的工作流程為狀態設置模塊首先對控制器進行設置，船載電子海圖系統ECS設置船舶參數、規劃計劃航線，之后進行正向(反向)監視，將計劃航線輸入至操舵儀設備中的減搖及航跡控制器，控制器根據減搖目標及航跡保持要求得到轉舵指令和轉鰭指令，轉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動模擬解算得到模擬GPS信號、模擬計程儀信號、模擬羅經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鰭指令和模擬器給出的舵角信號通過串口傳輸到外置電腦中搭建的Simulink仿真系統中，經過船舶橫搖/鰭機運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上設置船型參數：船長100 m、船寬50 m，轉舵半徑650 m，GPS距船艏50 m、離左舷25 m。在PC機上將船舶模擬位置設置在廣東雷州半島附近，初始船位為北緯20°33′，東經110°39.5′，船速設置為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劃的計劃航線。

圖4為船舶航向航跡運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為經過舵鰭聯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，在轉彎過程中船舶橫搖角沒有明顯變化，仿真實驗結果表明所設計的舵鰭聯合減搖算法有效，在船舶航行過程中尤其是轉彎時具有較好的減搖效果。

5 結論

所設計的硬件在環仿真實驗系統在實驗室條件下能夠模擬實際船舶舵鰭聯合減搖情況，通過電子海圖、模擬器和仿真結果直觀全面地驗證了船舶航跡控制下的舵鰭聯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合操控儀的研究提供一定的實驗基礎。