崔 戈

（中國(guó)人民海軍裝備部艦艇部 北京100841）

基于模糊積分預(yù)測(cè)控制的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔 戈

（中國(guó)人民海軍裝備部艦艇部 北京100841）

［摘 要］提出一種基于模糊積分預(yù)測(cè)控制器的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制方法，通過引入積分控制器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)不確定系統(tǒng)的控制，利用預(yù)測(cè)控制解決了船舶動(dòng)力定位中的約束問題，有效地減少了船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)能量的消耗。仿真結(jié)果證明，提出的模糊積分預(yù)測(cè)控制器在滿足動(dòng)力定位要求的同時(shí)，大大提高了推力系統(tǒng)的效率，減少了推力消耗。

［關(guān)鍵詞］模糊控制；積分控制；預(yù)測(cè)控制；動(dòng)力定位

引 言

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，由位置參考系統(tǒng)、推力系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等組成，其控制原理是利用誤差消除誤差的思想。在控制算法中，李卓等人［1］介紹了一種基于非線性PID控制器在船舶航向控制系統(tǒng)中的研究，改進(jìn)了傳統(tǒng)PID控制算法在船舶航向控制中的不足。劉振業(yè)等人［2］采用模糊自適應(yīng)ADRC算法對(duì)船舶航向進(jìn)行了有效控制，增強(qiáng)了航向控制的自適應(yīng)性。在動(dòng)力定位控制算法的研究中，王元慧［3］提出了一種模型預(yù)測(cè)控制算法。該算法通過將預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正等一系列控制思路應(yīng)用到算法中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的優(yōu)化控制。此種算法對(duì)于船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中存在的各種約束問題提供了很好的解決方案，實(shí)現(xiàn)了以最優(yōu)控制算法為基礎(chǔ)的最優(yōu)化控制；熊衛(wèi)衛(wèi)［4］在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上提出了模糊控制算法，通過將模糊控制器與預(yù)測(cè)控制器的有效結(jié)合，可以在很大程度上控制系統(tǒng)的不確定性。當(dāng)處理的數(shù)學(xué)模型難以建立精確的控制對(duì)象時(shí)，能夠首先將對(duì)象模糊化之后再應(yīng)用預(yù)測(cè)控制進(jìn)行控制，從而提高控制的有效性。

本文在文獻(xiàn)［3］與文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)上引入積分控制器。其中，控制算法中的預(yù)測(cè)控制功能可以通過對(duì)被控對(duì)象的歷史信息和未來(lái)輸入進(jìn)行綜合分析，預(yù)測(cè)出被控系統(tǒng)在下一階段的輸出；而引入的積分環(huán)節(jié)能夠達(dá)到PID控制器的效果，減少穩(wěn)態(tài)誤差，從而彌補(bǔ)預(yù)測(cè)控制的不足。結(jié)合預(yù)測(cè)控制中的滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正，便能很好地解決PID控制器的不足，實(shí)現(xiàn)以最優(yōu)控制理論為基礎(chǔ)的控制策略。

1 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制原理

動(dòng)力定位系統(tǒng)是通過控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，向推力系統(tǒng)發(fā)出控制命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境干擾力的補(bǔ)償，使得船舶、海洋石油鉆井平臺(tái)等海洋環(huán)境工作平臺(tái)能夠保持在設(shè)定的舷向，并懸停在水中。動(dòng)力定位系統(tǒng)在海洋開發(fā)中起到了不可替代的作用，不僅不受海水深度的影響，而且能夠?qū)Ｑ蟓h(huán)境的變化快速響應(yīng)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。其工作原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)力定位系統(tǒng)原理圖

2 模糊積分預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制

模糊控制器包含兩個(gè)輸入信息，分別為預(yù)測(cè)的船舶位置輸出誤差E和對(duì)應(yīng)的誤差變化率EC，見圖2。模糊控制器包含一個(gè)輸出信息，即推力U。其中：E、EC和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｝，上述狀態(tài)詞集分別用如下代碼表示，即｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB｝。

圖2 模糊積分預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位的原理圖

采用簡(jiǎn)單且具有一般性的三角函數(shù)表示輸入、輸出的隸屬度函數(shù)，該函數(shù)曲線如圖3所示。［4］

圖3 輸入、輸出變量隸屬函數(shù)的分布圖

模糊控制器是一種按照人的直覺進(jìn)行推理的語(yǔ)言表現(xiàn)形式，主要依據(jù)專家所學(xué)知識(shí)或熟練操作人員長(zhǎng)期積累的工程經(jīng)驗(yàn)。模糊控制的應(yīng)用規(guī)則通常由一系列具有某種關(guān)系的連接詞表達(dá)出來(lái)，如if-then、else、also、and、or等。本文對(duì)于船舶的縱蕩、橫蕩和首搖的控制規(guī)則即采用“if-then”的表達(dá)形式，如表1所示［4］。

表1 模糊控制規(guī)則表

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。

2.2 模型模糊預(yù)測(cè)控制

2.2.1 預(yù)測(cè)模型［4］

2.2.2 約束條件

考慮到半潛式平臺(tái)使用的推力器形式為全回轉(zhuǎn)推力器，可以將推力器發(fā)出的推力分解為x和y兩個(gè)方向，分別用Tx、Ty表示，這樣推力的大小與方向可以同時(shí)表達(dá)。另設(shè)變量：

約束處理的辦法：

可將上述約束條件寫成式（6）的形式：

2.2.3 滾動(dòng)優(yōu)化

通過滾動(dòng)優(yōu)化的形式，對(duì)某一控制序列進(jìn)行在線求解，使得該項(xiàng)性能指標(biāo)在約束條件下取得最小值，在每個(gè)采樣時(shí)刻k，重復(fù)進(jìn)行如下步驟：借助參考系統(tǒng)和傳感器的測(cè)量得出某一采樣時(shí)刻k的狀態(tài)xk，并將此狀態(tài)作為開環(huán)優(yōu)化問題的初始條件（x0= xk）， 用x0求解開環(huán)有限時(shí)域區(qū)間內(nèi)的優(yōu)化問題，使得某項(xiàng)性能指標(biāo)在約束條件內(nèi)取得最小值，從而得到最優(yōu)控制序列

將該序列中的第一個(gè)元素作為當(dāng)前的控制作用狀態(tài)函數(shù)。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 船舶參數(shù)［5］

本文基于某DP鉆井平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力定位控制系統(tǒng)仿真研究。該船主要參數(shù)為：總長(zhǎng)76.2 m、寬18.8 m、高82.5 m、吃水6.25 m、凈重4 200 t、主機(jī)功率3 533 kW。經(jīng)過多次大規(guī)模海試，得到該平臺(tái)的模型參數(shù)。其中，無(wú)因次的質(zhì)量矩陣M和阻尼矩陣D為：

3.2 船舶約束

仿真試驗(yàn)中施加的約束大小如表2、表3所示。

表2 平臺(tái)推力器限制

表3 平臺(tái)操作禁區(qū)

3.3 仿真結(jié)果

本文作如下假設(shè)，即平臺(tái)處于無(wú)風(fēng)靜水的仿真環(huán)境中。設(shè)平臺(tái)所處的初始位置坐標(biāo)為（0，0，0），期望位置坐標(biāo)為（100，100，0），仿真持續(xù)時(shí)間為500 s。根據(jù)上表給出的推力器限制和操作禁區(qū)等約束條件， MPC參數(shù)控制時(shí)域?yàn)?、預(yù)測(cè)時(shí)域取50，得到平臺(tái)的縱蕩、橫蕩、首搖角以及推力器推力的仿真圖如圖4 -圖9所示。

圖4 基于模糊預(yù)測(cè)控制器的縱蕩位置輸出

圖5 基于模糊預(yù)測(cè)積分控制器的縱蕩位置輸出

圖6 基于模糊預(yù)測(cè)控制器的橫蕩位置輸出

圖7 基于模糊預(yù)測(cè)積分控制器的橫蕩位置輸出

圖8 基于模糊預(yù)測(cè)控制器的首搖角輸出

圖9 基于模糊積分預(yù)測(cè)控制器的艏搖角輸出

由圖4 -圖9可知，加入積分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)各位置的輸出均出現(xiàn)微小的超調(diào)量，調(diào)整時(shí)間變化不大。在首搖角輸出中，加入積分環(huán)節(jié)后，首搖角的變化比較平緩，增加了動(dòng)力定位平臺(tái)的穩(wěn)定性，調(diào)整時(shí)間變大，能達(dá)到平臺(tái)動(dòng)力定位的目的。

通過如圖10 -圖15的仿真曲線可知，采用模糊預(yù)測(cè)控制法時(shí)，縱蕩方向上推力起始值為7.0×108N，經(jīng)過25 s達(dá)到穩(wěn)定且值為0；橫蕩方向上推力起始值為3.0×107N，經(jīng)過27 s達(dá)到穩(wěn)定且值為0 ；首搖方向上推力起始值為3.2×106N，經(jīng)過2 s突變到15×106N，25 s后達(dá)到穩(wěn)定且值為0。

圖10 基于模糊預(yù)測(cè)控制器的縱向控制力輸入

圖11 基于模糊預(yù)測(cè)積分控制器的縱向控制力輸入

圖12 基于模糊預(yù)測(cè)控制器的橫向控制力輸入

圖13 基于模糊積分預(yù)測(cè)控制器的橫向控制力輸入

圖14 基于模糊預(yù)測(cè)控制器的首搖控制力矩輸入

圖15 基于模糊積分預(yù)測(cè)控制器的首搖控制力矩輸入

采用模糊積分預(yù)測(cè)控制法時(shí)，縱蕩方向上推力起始值為5.6×107N，經(jīng)過25 s達(dá)到穩(wěn)定且值為0；橫蕩方向上推力起始值為1.15×107N，經(jīng)過25 s達(dá)到穩(wěn)定且值為0；首搖方向上推力起始值為4.3×106N，經(jīng)過23 s達(dá)到穩(wěn)定且值為0?？v蕩、橫蕩方向的推力值相對(duì)于未加積分環(huán)節(jié)時(shí)已大大減小，首搖角方向上的推力加入積分環(huán)節(jié)后起始值變大，但未發(fā)生突變，變化較平滑。

從仿真曲線的變化范圍可以看出，在沒有引入積分環(huán)節(jié)時(shí)，縱向推力、橫向推力、首搖角控制力矩的大小變化范圍較大，加入積分環(huán)節(jié)后仿真曲線較為平滑。較大的幅度變化是由于電機(jī)推進(jìn)產(chǎn)生了高峰值的推力，這種峰值推力會(huì)對(duì)齒輪造成瞬間沖擊，影響安全性。因此，必須對(duì)螺旋槳的轉(zhuǎn)速進(jìn)行必要的約束，而平滑的推力變化不僅能對(duì)齒輪起到保護(hù)作用，對(duì)節(jié)約能源也有好處。采用模糊積分預(yù)測(cè)控制，推力的變化范圍明顯比采用模糊預(yù)測(cè)控制要平滑，表明推力器耗能減少，不僅降低了船舶的功率消耗，有效控制了推力系統(tǒng)中齒輪損壞現(xiàn)象，提高了動(dòng)力定位的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備使用壽命，獲得了良好的控制品質(zhì)。

4 結(jié) 論

本文在模糊預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上增加了積分控制，減少動(dòng)力定位系統(tǒng)的能量消耗以及推力器的磨損，結(jié)合PID控制、預(yù)測(cè)控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，最終取得了滿意的控制效果。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 李卓，馬林立.基于一種非線性PID控制器的船舶航向控制系統(tǒng)研究［J］. 船舶，2004 （4）：2-3.

［2］ 劉振業(yè)，劉偉，付明玉，等.基于模糊自適應(yīng)ADRC的全墊升氣墊船航向控制［J］. 信息與控制，2011（6）：2-3.

［3］ 王元慧. 模型預(yù)測(cè)控制在動(dòng)力定位系統(tǒng)的應(yīng)用［D］.哈爾濱工程大學(xué)， 碩士學(xué)位論文，2006：17-20.

［4］ 熊衛(wèi)衛(wèi).基于模糊預(yù)測(cè)控制的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器研究［D］. 江蘇科技大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2012：41-50.

［5］ 王元慧，施小成，邊信黔.基于模型預(yù)測(cè)控制的船舶動(dòng)力定位約束控制［J］. 船舶工程，2007（29）：2-4.

［中圖分類號(hào)］U666.1

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2015）03-0103-06

［收稿日期］2015-01-13；［修回日期］2015-03-16

［作者簡(jiǎn)介］崔 戈（1976-），男，工程師，研究方向：艦船工程。

Design of ship dynamic positioning system based on fuzzy integral predictive control

CUI Ge

(Naval Ship Department of Naval Armament Adminstry Beijing 100841, China)

Abstract：This paper presents a ship dynamic positioning control method based on the fuzzy integral predictive controller. An integral controller is introduced to eliminate the steady state error， while a fuzzy control is adopted to provide satisfi ed control for uncertain systems， and a predictive control is used to solve constraint problem in the ship dynamic positioning， which can effectively reduce its energy consumption. The simulation results show that the proposed fuzzy integral predictive controller can meet the dynamic positioning requirements with the improvement of propulsion effi ciency and the reduction of thrust consumption.

Keywords：fuzzy control； integral control； predictive control； dynamic positioning