船舶航向非线性系统自抗扰控制器的仿真研究 Simulation Research on Ship Course Nonlinear System Based on Auto Disturbance Rejection Controller

摘 要 船舶航向控制器的设计一直是船舶运动控制重要的研究课题之一，它与船 舶航行的经济性、安全性和舒适性密切相关。由于船舶的动态具有大惯性、大 时滞、非线性等特点，并且受模型参数摄动以及船舶运动中风、浪、流等外界 干扰的影响，使得控制器的设计成为一个复杂的问题。 自抗扰控制(ADRC)技术是由韩京清研究员及其团队十几年来创立的一种新 的非线性控制方法。该方法不依赖于对象模型，将被控对象中的内部动态和外 部干扰综合为系统所受的未知干扰，通过设计扩张状态观测器(ESO)对其进行总 体的实时估计，并在反馈中合理引用非线性特性来提高系统的鲁棒能力。目前 ADRC 已在电机控制、机器人控制、飞行器控制等领域的一些实际问题中得到 了成功应用。本文将 ADRC 用于船舶航向控制，并进行了仿真研究。 本文首先分析了传统 PID 控制方法的不足，介绍了跟踪微分器(TD)、扩张 状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈(NLSEF)和自抗扰控制器的基本原理， 给出了自抗扰控制器的标准结构。 研究了船舶操纵基本原理和航向运动特性，建立了带有舵机约束的响应型 非线性船舶运动数学模型，分析了船舶受到的环境干扰，并建立了风、浪、流 干扰的数学模型。 重点对船舶航向自抗扰控制方法进行了研究：将船舶航向运动系统看作舵 机机构和船舶运动系统的串联，给出了系统组成结构图；讨论了两种船舶航向 自抗扰控制器的设计方案，使用二阶 ADRC 设计了船舶航向运动自抗扰控制 器；采用 s 函数实现了 ADRC 控制算法，搭建了船舶航向运动自抗扰控制仿真 平台；总结了船舶航向自抗扰控制器的参数整定方法。 对船舶航向自抗扰控制系统进行了仿真研究。结果表明，与经过参数优化 的 PID 控制相比，基于 ADRC 的船舶航向控制系统在大角度航向切换、航向保 持、外界干扰、参数摄动、模型改变等条件下均具有良好的控制效果，具有很 好的鲁棒性和抗干扰能力。 最后，针对仿真中自抗扰控制在小角度航向切换时响应速度慢的问题，对 控制器进行了改进，对下一步工作进行了展望。 本文希望通过对自抗扰控制在航向运动控制中的研究，进一步拓展自抗扰 控制技术的应用领域，也为船舶航向控制器控制策略的研究提供一种新的思 路。 关键词：船舶航向控制；响应型非线性船舶运动数学模型；自抗扰控制器