羅 哲,王 寧,蔡壽國,趙啟壯,姚子豪,仇季瑾
(南通大學電氣工程學院,江蘇 南通 226001)
救撈無人艇的航向控制,是保證其能夠迅速到達救援區域實現成功救撈的基礎性功能。其一般由跟蹤航向和航向保持兩部分構成。航向跟蹤要求無人艇的實際航向ψ逐漸變得和設定航向角ψr一樣。航向保持則是要求舵角δ要克服各種干擾將實際的航向角ψ牢牢地穩定在設定航向ψr上。航向控制通常采取閉環控制[1],通過實際航向ψ與設定航向ψr比較,形成航向誤差信息△ψ=ψr-ψ,經過航向控制算法給出命令舵角δr,控制船頭朝減少航向偏差的方向轉動。
本文中,為簡化分析無人艇模型采用Nomoto模型:
通常利用單純的PD控制器,就可以實現航向控制,但是考慮水上航行時船舶遭遇波浪的干擾,導致產生穩態誤差。因此,需要對PD控制律中添加積分項來進行補償[2]。取控制律如下:
將其代入到Nomoto模型中,獲得系統閉環特征方程:
其中KP、KD、KI的取值只要保證上式的特征根實部均小于0即可。求得。其中ωn為系統自然頻率,ξ為阻尼比。需要說明的是這并非參數整定完畢,需要對其調整確定最終控制器參數。
利用Simulink構造的無人艇航向控制器如圖1所示。
圖1 無人艇仿真Simulink模型
首先是航向角參考輸入設定;然后就是設計的PID控制器,三個增益則分別表示所需要的參數值;PID控制器輸出送入舵角模型,在該部分設計有兩個限幅器,分別用于模擬船舵的左右最大幅值和舵的轉速限制;最后一部分則是無人艇的Nomoto模型。系統模型采用。在仿真中用為模擬船舶在運行過程中遇到的風浪干擾,采用白噪聲驅動一個二階振蕩環節。在六級風的作用下得到海浪模型傳遞函數為[3]:
將其進行離散化,取采樣時間設為1 s,白噪聲強度設為1 000,得到其離散模型:
仿真時,設定參考航向角為75°,考慮波浪的影響,得到的仿真曲線如圖2和圖3所示。
圖2 航向角變化曲線
從圖2、圖3可以看出,在加入了干擾信號后,無人艇仍然能夠按照指定的航向角前進,雖然在圖中看到仿真中后期,實際航向角略微有些波動,但是無人艇始終并沒有脫離預定的航向,并且相對于無波浪干擾工況,在剛開始的階段,無人艇的舵角始終在按照它的最大變化速率進行改變,但在維持了一段時間后,就開始進行回舵;在受到波浪干擾后,它的變化速率就開始發生波動,用來抵抗海浪的干擾,保證無人艇按照預定的方向航行。
圖3 舵角變化曲線
通過仿真曲線分析,可以看到控制器可以較快地跟蹤設定的航向,并且在波浪干擾的影響下,仍然能夠比較準確地維持航向,具有較優良的性能。