熊衛(wèi)衛(wèi)，何祖軍

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于模糊預(yù)測(cè)控制的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熊衛(wèi)衛(wèi)，何祖軍

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

在系統(tǒng)分析和研究船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種基于模糊預(yù)測(cè)控制的船舶動(dòng)力定位的方法，設(shè)計(jì)了模糊預(yù)測(cè)控制器。首先，在預(yù)測(cè)控制部分，探討預(yù)測(cè)模型和反饋校正的設(shè)計(jì)；在模糊控制部分，研究隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則的具體制定。最后采用工程數(shù)據(jù)，對(duì)該算法和模糊預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和性能評(píng)判，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器能對(duì)船舶進(jìn)行有效的定位。

船舶；動(dòng)力定位；模糊預(yù)測(cè)控制；數(shù)學(xué)模型

動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種船舶依靠自身的推力系統(tǒng)來(lái)抵御外界風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾力，從而使船舶固定于海平面的某一固定位置或者沿某一航跡行駛的系統(tǒng)。動(dòng)力定位技術(shù)與傳統(tǒng)的錨泊定位相比，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、定位深度不受水深影響、對(duì)海床無(wú)破壞等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代海洋開發(fā)中起到了越來(lái)越重要的作用[1]。

動(dòng)力定位系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：位置測(cè)量系統(tǒng)、控制器、推力系統(tǒng)。其中，控制器控制技術(shù)的發(fā)展代表著動(dòng)力定位的發(fā)展[2]。早期控制器采用傳統(tǒng)的PID控制，現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用最廣泛的是基于卡爾曼濾波的LQG控制方法[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算和處理信息的能力不斷提高，促使智能控制在動(dòng)力定位中得到廣泛應(yīng)用。

船舶在海平面上的運(yùn)動(dòng)具有非線性強(qiáng)、大時(shí)滯、強(qiáng)耦合、大慣性等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。基于此，本文采用模糊預(yù)測(cè)控制算法，將模糊控制與預(yù)測(cè)控制的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合并運(yùn)用于動(dòng)力定位中。

基本思想是，利用預(yù)測(cè)模型得到系統(tǒng)未來(lái)輸出的預(yù)測(cè)值，將其與設(shè)定的目標(biāo)輸出值進(jìn)行比較得到預(yù)測(cè)誤差，并將預(yù)測(cè)誤差和預(yù)測(cè)誤差的變化率作為模糊控制器的輸入進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了模糊預(yù)測(cè)控制器具有良好的控制性能。

1 數(shù)學(xué)模型

船舶在海平面上有6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力定位只對(duì)其中的縱蕩、橫蕩和艏搖進(jìn)行控制。為了更好地研究船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本文建立兩種坐標(biāo)系。坐標(biāo)系XYZ是建立在船體上的坐標(biāo)系，稱為隨船坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在船重心G處；坐標(biāo)系XEYEZE是固定坐標(biāo)系，也稱地球坐標(biāo)系。

圖1 坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system

動(dòng)力定位低頻運(yùn)動(dòng)的形式有很多種，文中采用下面形式[4]：

式中，

u，v，r——船舶的縱蕩速度、橫蕩速度和艏搖角速度；

Fx1，F(xiàn)y1——與u，v有關(guān)的水動(dòng)力；T1是與u，v有關(guān)的水動(dòng)力矩；

Fy2，T2——與u，r有關(guān)的水動(dòng)力和力矩；

Fu，F(xiàn)v，Tzz——推進(jìn)器產(chǎn)生的力和力矩；

FxA，F(xiàn)yA，TA——風(fēng)的力和力矩；M是船舶質(zhì)量；

mx，my——X，Y軸方向上的附加質(zhì)量；

Izz——船舶繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Jzz——船舶繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 模糊預(yù)測(cè)控制器

船舶在海平面上的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，屬于大時(shí)滯系統(tǒng)，而單純的模糊控制是一種“事后調(diào)節(jié)”的控制方式，所以單純使用模糊控制進(jìn)行動(dòng)力定位，難以取得良好的控制效果。

模糊預(yù)測(cè)控制的實(shí)質(zhì)是模糊決策和預(yù)測(cè)推理的結(jié)合。利用模糊預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)框圖2所示。通過(guò)預(yù)測(cè)模型，得出船舶運(yùn)動(dòng)下一時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值Yp，將其與期望目標(biāo)位置Yr進(jìn)行比較，得出位置偏差E及偏差變化率EC，E和EC就是模糊控制器的兩個(gè)輸入量。

圖2 模糊預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of fuzzy predictive control system

2.1 預(yù)測(cè)控制

文中所采用的預(yù)測(cè)控制的思想：根據(jù)系統(tǒng)的未來(lái)輸入和歷史輸出預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的輸出。

設(shè)被控對(duì)象基于階躍響應(yīng)預(yù)測(cè)模型的輸出向量為a=[a1，a2，…，ap]，其中，P 為建模時(shí)域。 在 k 時(shí)刻控制有一增量Δu（k）時(shí)，在未來(lái)時(shí)刻的預(yù)測(cè)輸出值為：

其中，Y0（k+i）為初始值，i=1，…P。

在k時(shí)刻，把控制增量Δu（k）施加與控制對(duì)象，利用預(yù)測(cè)模型得出未來(lái)時(shí)刻的預(yù)測(cè)輸出值Ym（k+i），這是一個(gè)比較理想的過(guò)程。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于模型失配、外界環(huán)境干擾以及非線性等未知因素的存在，使得預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間可能會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，需要利用實(shí)時(shí)信息進(jìn)行反饋矯正[5-6]。在k時(shí)刻，利用系統(tǒng)的實(shí)際輸出y（k）進(jìn)行反饋矯正。

其中，Yp（k+i）為校正后的預(yù)測(cè)值，Ym（k+i）為經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)模型得到的預(yù)測(cè)值，h為校正向量。

通過(guò)以上的計(jì)算，可以得出船舶運(yùn)動(dòng)下一時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值，由位置預(yù)測(cè)值和目標(biāo)值可以得出位置偏差及其偏差變化率的預(yù)測(cè)值，它們將作為模糊控制器的輸入。

2.2 模糊控制

根據(jù)上一節(jié)所述，模糊控制器的兩個(gè)輸入為船舶位置的預(yù)測(cè)輸出誤差E及其誤差變化率EC。模糊控制器的輸出為控制力U。E、EC及U的論域均取為[-6，6]，狀態(tài)詞集取為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，用代碼表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。 輸入、輸出的隸屬度函數(shù)采用簡(jiǎn)單而又具有一般性的三角函數(shù)，隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 輸入（出）變量隸屬度函數(shù)的分布圖Fig.3 Membership functions of the input and output fuzzy sets

模糊控制規(guī)則庫(kù)采用“if…then…”的形式，對(duì)于船舶的縱蕩、橫蕩和艏搖。采用相同的模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 The fuzzy rules

對(duì)于模糊控制器的輸出，采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊[7]。

3 仿真結(jié)果

現(xiàn)以某水面船位研究對(duì)象，該船總長(zhǎng)為25.5 m，寬為8.5 m，質(zhì)量為 46 kg，出水量為1.81 m，排水量為38 t。

文中假設(shè)船舶的初始位置為（0 m，0 m，0°），定位點(diǎn)為（20 m，20 m，45°）。在靜水條件下的仿真結(jié)果如圖4、5和6所示。

圖4 縱向位置仿真曲線Fig.4 Simulation result showing in surge direction

圖5 橫向位置仿真曲線Fig.5 Simulation result showing in sway direction

圖6 艏向角度仿真曲線Fig.6 Simulation result showing in yaw direction

從仿真結(jié)果可以看出，基于模糊預(yù)測(cè)控制算法設(shè)計(jì)的控制器，在縱向、橫向和艏搖3個(gè)方向上都達(dá)到了很好的控制效果，使船舶準(zhǔn)確的從初始位置（0 m，0 m，0°）到達(dá)目標(biāo)定位點(diǎn)（20 m，20 m，45°），達(dá)到了進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)理想的預(yù)測(cè)性能，穩(wěn)態(tài)精度較高，使動(dòng)力定位系統(tǒng)具有良好的魯棒性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

文中利用模糊控制與預(yù)測(cè)控制混合控制算法，設(shè)計(jì)了船舶動(dòng)力定位的控制器，針對(duì)某船進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，控制器結(jié)合了模糊控制和預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了良好的控制效果。隨著我國(guó)海洋事業(yè)的發(fā)展，動(dòng)力定位控制技術(shù)的研究將會(huì)得到更多的重視。為了得到更先進(jìn)、更成熟的控制方法，多種智能控制方法相融合的控制算法，將是動(dòng)力定位控制技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

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[7]張桂蘭，鄧志良.模糊控制器在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中的應(yīng)用及改進(jìn)[J].中國(guó)造船，2005，46（4）：26-30.

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Design of ship dynamic positioning systems based on fuzzy predictive control

XIONG Wei-wei，HE Zu-jun
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang212003，China）

A fuzzy predictive control scheme is proposed in dynamic positioning and a fuzzy predictive controller was designed base on the study of dynamic ship positioning.First， in the predictive control part， the designs of predictive model and correcting on line of predictive control are discussed.In the fuzzy control part，membership functions and fuzzy rules of fuzzy control are discussed.Evaluation of the algorithms and fuzzy predictive controller is made with project date.Simulation results show that the fuzzy predictive controller can hold the position and heading effectively.

ship； dynamic positioning； fuzzy control； predictive control

U664.81

A

1674－6236（2012）03-0121-03

2011-11-15 稿件編號(hào)：201111085

熊衛(wèi)衛(wèi)（1986—），女，山東德州人，碩士研究生。研究方向：船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的智能控制。