蔡冬林

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡冬林

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010)

傳統(tǒng)船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)只適于控制對(duì)象是線性系統(tǒng)且時(shí)延和階數(shù)等已知的情況，但在實(shí)際應(yīng)用中，船舶舵機(jī)控制過程受船舶運(yùn)行情況和航行環(huán)境的影響，屬于隨機(jī)過程。為此，設(shè)計(jì)一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)，依據(jù)功能要求設(shè)計(jì)船舶舵機(jī)的不同控制模型，再設(shè)計(jì)整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì) 4 個(gè)不同層次的控制器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的整體設(shè)計(jì)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)控制器中的參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出結(jié)果即為船舶舵機(jī)控制結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制效果好，不易受外界環(huán)境的干擾。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；船舶舵機(jī)；控制系統(tǒng)

0 引 言

船舶舵機(jī)的有效控制是船舶航行的關(guān)鍵，和船舶行駛安全有很大關(guān)系[1-2]。當(dāng)前，隨著海運(yùn)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，船舶噸位逐漸上升，航速越來越快，人們對(duì)船舶運(yùn)輸安全性的要求越來越高[3–5]。所以，研究一種高性能的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)具有重要意義，是相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題[6-7]。

文獻(xiàn)[8]提出一種基于數(shù)學(xué)模型的船舶舵機(jī)控制方法，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)船舶舵機(jī)的控制，該方法實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單，但由于船舶本身運(yùn)行端機(jī)參數(shù)相對(duì)而言不穩(wěn)定，且具有非線性，沒有辦法以此構(gòu)建較為精確的數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[9]提出一種基于以太網(wǎng)和 CAN 技術(shù)的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)，通過傳感器節(jié)點(diǎn)、智能設(shè)備、控制節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶舵機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，但硬件成本過高，不適于實(shí)際應(yīng)用；文獻(xiàn)[10]提出一種離散船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)，將遺傳算法應(yīng)用于離散系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶舵機(jī)的控制。該方法實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單，但計(jì)算復(fù)雜程度和計(jì)算量較高，也就是有計(jì)算量膨脹的弊端。

針對(duì)上述方法的弊端，設(shè)計(jì)一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)，分別介紹系統(tǒng)中 4 項(xiàng)主要模型（參考模型、船舶舵機(jī)模型、船舶模型和擾動(dòng)模型），依據(jù)功能要求設(shè)計(jì)船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)船舶舵機(jī)控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制效果好，不易受外界環(huán)境的干擾。

1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)中各項(xiàng)模型設(shè)計(jì)

1.1.1 參考模型

參考模型相當(dāng)于預(yù)篩選器，不論要求的參考偏航角如何變化，參考模型和船舶的動(dòng)力特性都匹配。

本節(jié)選用的參考模型為：

其中：Tm為時(shí)間常數(shù)；Km為模型增益系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中模型為非線性，即

其中：系數(shù) a，b，c 可通過經(jīng)驗(yàn)獲取，本節(jié)參數(shù)取為 a = 0.934，b = 0.204，c = 0.018 2。

1.1.2 船舶舵機(jī)模型

船舶舵機(jī)主要負(fù)責(zé)將舵調(diào)整至控制系統(tǒng)要求的角，本節(jié)選用的船舶舵機(jī)模型用圖 1 進(jìn)行描述。

圖1 中，δc用于描述命令舵角，對(duì)大部分船舶來說，最大操舵角為 ±35°，最大操舵速率為 ±8°/s；ψr為船舶參考航向；ψd為設(shè)計(jì)航向；ψ為實(shí)際航向；δ 為操舵角。

1.1.3 船舶模型

受很多因素的影響，船舶模型是非線性的，本節(jié)選用的船舶模型如下：

其中： a1，a3為 Norrbin 系數(shù)，本節(jié) a1和 a3依次取 1和 5。

1.1.4 擾動(dòng)模型

船舶舵機(jī)控制中的擾動(dòng)問題較為復(fù)雜，通常認(rèn)為是受到風(fēng)與海浪的干擾，可通過一個(gè)典型的二階低通濾波器形成的海浪波譜模型形成，公式描述如下：

式中：ωn為自然頻率；ζ 為二階低通濾波器的阻尼比；s 為白噪聲帶寬。ωn計(jì)算公式如下：

式中：ω0為海浪頻譜的峰值頻率；u 為船速；γ 為船舶航向和海量之間的夾角；g為重力加速度。

1.2 船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)主要包括航向改變功能和航向保持功能 2 個(gè)功能，航向改變功能要求系統(tǒng)操縱能力強(qiáng)，航向保持功能要求系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，依據(jù)上述功能要求設(shè)計(jì)的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

1.3 控制器分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器由 4 層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，依次為輸入層、隸屬度函數(shù)層、規(guī)則層和輸出層。假設(shè)第 i 層的第 j 個(gè)節(jié)點(diǎn)輸入用進(jìn)行描述，第 i層第 j 個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出用進(jìn)行描述，則有下面對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器各層進(jìn)行詳細(xì)分析。

第 1 層為輸入層。該層中各神經(jīng)元均代表 1 個(gè)輸入變量，本節(jié)輸入向量為航向角偏差 e 和偏差的變化量˙。輸入層神經(jīng)元將輸入變量 xi利用作用函數(shù) f 傳輸至下一層中的神經(jīng)元，其輸出可描述成：

第 2 層為隸屬度函數(shù)層，該層中神經(jīng)元代表輸入變量的一個(gè)隸屬度函數(shù)，本節(jié)將高斯函數(shù)看作隸屬度函數(shù)，該層輸出可描述成：

其中，mij，σij分別為第 i 個(gè)輸入變量第 j 個(gè)模糊集合的高斯函數(shù)均值與方差。

第 3 層為規(guī)則層，其神經(jīng)元數(shù)量即模糊規(guī)則數(shù)量，其輸出可描述成：

其中，k=(i?1)n+j；n 為各輸入變量的模糊集合。

第 4 層為輸出層，該層輸出可描述如下：

1.4 船舶舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)

進(jìn)行上述 4 個(gè)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)船舶舵機(jī)的整體控制。

考慮在船舶航向易出現(xiàn)偏差，設(shè)計(jì)船舶舵機(jī)控制過程如圖 3 所示。

當(dāng)控制過程處于階段Ⅰ時(shí)，船舶開始回旋，處于階段Ⅱ時(shí)，船舶不會(huì)沿著之前的方向繼續(xù)前進(jìn)，新方向的提示會(huì)使得船舶調(diào)轉(zhuǎn)方向，處于階段Ⅲ時(shí)，舵機(jī)需保證船舶的航向角不出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

本節(jié)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)船舶舵機(jī)進(jìn)行控制，采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用圖 4 進(jìn)行描述，δ 為操舵角，ψ 為實(shí)際航向，將 δ，ψ 看作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將看作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，將 ψ 與之間的差值看作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)船舶舵機(jī)控制器的整體設(shè)計(jì)。

1.5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器參數(shù)優(yōu)化

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將指標(biāo)函數(shù) Ec看作參考模型輸出 ψm與船舶輸出 ψ 之間的方差：

定義：

則可獲取不同可修正參數(shù)的學(xué)習(xí)算法，針對(duì)第 n次學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)規(guī)則可描述如下：

式中：η(4)，ηm和 ησ分別為第 4 層權(quán)值、第 2 層隸屬度函數(shù)參數(shù) mij與 σij的學(xué)習(xí)率；，αm，ασ為對(duì)應(yīng)的動(dòng)量因子。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需采用船舶與舵機(jī)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)可通過控制對(duì)象的計(jì)算機(jī)仿真獲取。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，將 PID 控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)作為對(duì)比，對(duì)船舶舵機(jī)控制進(jìn)行仿真研究。將控制周期設(shè)置為 2 s，仿真時(shí)間為 1 200 s。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，作用于船舶舵機(jī)的風(fēng)和海浪擾動(dòng)由帶寬是 1 Hz 的白噪聲產(chǎn)生，其部分時(shí)間序列用圖 5進(jìn)行描述。

通過理想舵機(jī)控制獲取船舶航向角變化的理想曲線，結(jié)果用圖 6 進(jìn)行描述。通過本文系統(tǒng)、PID 控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)對(duì)船舶舵機(jī)進(jìn)行控制，控制航向角變化情況和理想航向變化角比較結(jié)果如圖 7 所示。

分析圖 7 可看出，通過本文系統(tǒng)對(duì)船舶舵機(jī)進(jìn)行控制，船舶航向角變化曲線和理想曲線基本吻合，超調(diào)量最小，明顯優(yōu)于 PID 控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)，且本文控制系統(tǒng)響應(yīng)速度最快。

圖8 和圖 9 分別為在無干擾和有干擾狀態(tài)下，本文系統(tǒng)控制下舵角輸出曲線。

分析圖 8 和圖 9 可看出，在有干擾情況下，本文系統(tǒng)對(duì)舵角的控制結(jié)果和無干擾情況下船舶舵角控制結(jié)果之間的差異不大，說明本文系統(tǒng)對(duì)外界干擾的適應(yīng)能力很強(qiáng)，能夠有效達(dá)到系統(tǒng)要求。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)，依據(jù)功能要求設(shè)計(jì)船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，介紹了參考模型、船舶舵機(jī)模型、船舶模型和擾動(dòng)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)船舶舵機(jī)進(jìn)行控制，輸出結(jié)果即為船舶舵機(jī)控制結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制效果好，不易受外界環(huán)境的干擾。

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Design of ship steering gear control system based on neural network

CAI Dong-lin
(Nantong Shipping College, Marine Engineering Department, Nantong 226010, China)

Servo control system of traditional ship control object is only suitable for linear systems and delay and order and known, but in practical application, the ship steering control process is influenced by the ship operation and navigation environment, which belongs to the random process. For this reason, a new control system of ship steering gear based on neural network is designed, and the different control models are designed according to the functional requirements. Through the design of 4 different levels of the structure of the controller, to achieve the overall design of neural network controller, learning and adjustment of the parameters in the controller using neural network algorithm, neural network controller output is the result of ship steering control. The experimental results show that the designed system has good control effect and is not easy to be interfered by external environment.

neural network；ship steering gear；control system

TP391

A

1672–7619(2017)05–0099–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.019

2017–02–23

蔡冬林(1973–)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)檩啓C(jī)工程。