章沪淦,张显库

• 1:大连海事大学航海学院

摘要(Abstract)：

【目的】综述船舶航向保持控制近3年的发展，以期找到航向保持控制必须攻克的难题，探讨船舶航向保持控制未来的发展趋势。【方法】梳理分析近3年国内外航向保持控制的文献，介绍航向保持控制常用模型，包括Nomoto模型、Norribin模型、MMG模型和Fossen模型，对不同文献所使用的模型进行分类和总结。介绍航向保持控制的控制算法，分析各个算法之间的优缺点。由于船舶航向保持控制容易受到外界干扰和系统内部不确定的影响，阐述常见的RBF神经网络与线性扩张状态观测器处理扰动方式。【结果与结论】总结出船舶航向保持控制必须攻克的3个科学难题，并对航向保持控制的发展提出展望。

关键词(KeyWords)： 航向保持;自动舵;船舶模型;航向保持控制方法;扰动处理

Abstract:

Keywords:

基金项目(Foundation): 国家自然科学基金项目(51679024);; 大连市重点研究领域创新团队支持计划项目(2020RT08)

作者(Author): 章沪淦,张显库

参考文献(References)：

• [1] DENG Y J, ZHANG X K, IM N, et al. Model-based event-triggered tracking control of underactuated surface vessels with minimum learning parameters[J]. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems,2020, 31(10):4001-4014.
• [2]朱丽燕,李铁山.智能船舶自动舵系统自适应模糊输出反馈控制[J].南京信息工程大学学报(自然科学版), 2021,13(1):22-28.
• [3] GAO S H, ZHANG X K. Course keeping control strategy for large oil tankers based on nonlinear feedback of swish function[J]. Ocean Engineering, 2022, 244:110385.
• [4] DLABA?T,?ALASAN M, KR?UM M, et al. Pso-based pid controller design for ship course-keeping autopilot[J].Brodogradnja, 2019, 70(4):1-15.
• [5] LEI Z L, GUO C. Disturbance rejection control solution for ship steering system with uncertain time delay[J]. Ocean Engineering, 2015, 95:78-83.
• [6]关巍,周庆宏,任志浩,等.规划控制策略下的无人船航向简捷鲁棒控制[J].哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(11):1801-1808.
• [7]包政凯,朱齐丹,杨司浩,等.船舶航向模型参考自适应和最优控制研究[J].应用科技, 2022, 49(1):8-14.
• [8]邓华,王仁强,胡甚平,等.分布式遗传的船舶航向神经网络优化控制[J].上海海事大学学报, 2020, 41(4):15-19.
• [9]陈林,王恒家,王化明,等.基于改进粒子群算法的船舶航向PID控制研究[J].浙江海洋大学学报(自然科学版),2020, 39(3):252-257.
• [10]陈桂妹,苗保彬.基于减聚类-自适应神经模糊推理的船舶航向保持控制设计[J].船舶工程, 2019, 41(4):82-87.
• [11]石子坚,赵德安,孙月平.河蟹养殖水质检测船有限时间航向控制[J].软件导刊, 2022, 21(1):152-155.
• [12] ZHANG X K, ZHANG G Q. Design of ship coursekeeping autopilot using a sine function-based nonlinear feedback technique[J]. Journal of Navigation, 2016, 69(2):246-256.
• [13]包涛,董早鹏,张波,等.基于GD-FNN和参考模型的无人艇航向鲁棒自适应控制[J].船舶力学, 2021, 25(5):598-606.
• [14]赵月林,门茂峰,孙壮.基于分段式双幂次趋近律的迭代滑模航向控制[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2021, 40(2):136-142.
• [15]杨宇,范云生,刘磊,等.基于轨迹线性化的无人水面艇航向控制与验证[J].大连海事大学学报, 2021, 47(1):9-17.
• [16]伊戈,刘忠,张建强,等.基于改进终端滑模控制的USV航向跟踪控制方法[J].电光与控制, 2020, 27(10):12-16.
• [17]包涛,茅云生,董早鹏,等.基于改进BFO优化的高速无人艇航向PD控制[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2018, 42(6):1029-1033.
• [18] ZHANG H G, ZHANG X K, BU R X. Active disturbance rejection control of ship course keeping based on nonlinear feedback and ZOH component[J]. Ocean Engineering,2021, 233:109136.
• [19]李纪强,张国庆,尚洪达.基于鲁棒自适应扰动观测器的船舶航向保持控制器设计[J].中国航海, 2020, 43(4):15-19.
• [20]吴瑞,杜佳璐,孙玉清,等.基于状态反馈线性化和ESO的船舶航向跟踪控制[J].大连海事大学学报, 2019, 45(3):93-99.
• [21]李伟,宁君,李悦琪.基于自抗扰的反步非奇异终端滑模船舶航向控制器设计[J].船舶工程, 2019, 41(11):83-88.
• [22]赵月林,马征,孙壮.考虑舵机时滞的船舶航向控制系统研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版), 2020, 39(12):124-129.
• [23] Zhang Q, Zhang M, Hu Y, et al. Error-driven-based adaptive nonlinear feedback control of course-keeping for ships[J].Journal of Marine Science and Technology, 2021, 26:357-367.
• [24] BAI Y M, CAO Y C, LI T S. Optimized backstepping design for ship course following control based on actor-critic architecture with input saturation[J]. IEEE Access, 2019, 7:73516-73528.
• [25] FAN Y S, MU D D, ZHANG X K, et al. Course keeping control based on integrated nonlinear feedback for a USV with pod-like propulsion[J]. Journal of Navigation, 2018,71(4):878-898.
• [26] ISLAM M M, SIFFAT S A, AHMAD I, et al. Robust integral backstepping and terminal synergetic control of course keeping for ships[J]. Ocean Engineering, 2021, 221:108532.
• [27] ZHANG X K, ZHANG Q, REN H X, et al. Linear reduction of backstepping algorithm based on nonlinear decoration for ship course-keeping control system[J]. Ocean Engineering, 2018, 147:1-8.
• [28] WANG Q L, SUN C Y, CHEN Y Y. Adaptive neural network control for course-keeping of ships with input constraints[J]. Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2019, 41(4):1010-1018.
• [29] ZHAO H B, ZHANG X K, HAN X. Nonlinear control algorithms for efficiency-improved course keeping of large tankers under heavy sea state conditions[J]. Ocean Engineering, 2019, 189:106371.
• [30] YAN Z K, ZHANG X K, ZHU H Y, et al. Course-keeping control for ships with nonlinear feedback and zero-order holder component[J]. Ocean Engineering, 2020, 209:107461.
• [31]徐国平,张显库,张国庆.考虑通信时延的船舶航向保持鲁棒自适应控制[J].哈尔滨工程大学学报, 2017, 38(1):59-65.
• [32]刘志全,褚振忠.基于ESO的船舶航向鲁棒自适应控制[J].控制与决策, 2022, 37(8):2157-2162.
• [33]冯永孝,张显库.非线性修饰与模糊控制船舶航向保持控制比较[J].中国航海, 2018, 41(4):12-15.
• [34]杨迪,郭晨,刘伟军.带扰动观测器的船舶航向自适应神经网络控制[J].沈阳工业大学学报, 2021, 43(3):324-329.
• [35]赵志平,张强.船舶航向的自适应自调节PID跟踪控制[J].中国舰船研究, 2019, 14(3):145-151.
• [36]戴小康,张军,孙太任,等.基于障碍Lyapunov的自动作业船有限时间航向保持控制[J].扬州大学学报(自然科学版), 2019, 22(3):50-54.
• [37] MIN B X, ZHANG X K, WANG Q. Energy saving of course keeping for ships using CGSA and nonlinear decoration[J]. IEEE Access, 2020, 8:141622-141631.
• [38]刘胜,郭晓杰,张兰勇,等.船舶航速/航向协调自适应滑模容错控制[J].控制工程, 2021, 28(10):1946-1954.
• [39]刘胜,赵宝令,宋佳.船舶航向自适应复合度SVM-H∞/H~2控制系统研究[J].控制工程, 2021, 28(2):335-344.
• [40]慕东东,王国峰,范云生,等.吊舱推进无人水面艇的航向保持[J].哈尔滨工程大学学报, 2018, 39(2):274-281.
• [41]王化明,岳彩宇,陈林,等.随机波浪下基于粒子滤波算法的船舶航向控制[J].浙江海洋大学学报(自然科学版),2021, 40(2):148-155.
• [42]甘浪雄,邓巍,周春辉,等.船舶航向模糊控制器优化设计及仿真[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2019, 43(3):398-403.
• [43] LIU H, MA N, GU X C. Ship-bank interaction of a VLCC ship model and related course-keeping control[J]. Ships and Offshore Structures, 2017, 12(sup1):S305-S316.
• [44]陆潇杨,刘志全,高迪驹,等.带漂角和输入饱和的水面船舶航向控制[J].中国舰船研究, 2021, 16(2):194-202.
• [45]陆潇杨,刘志全,褚振忠.漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制[J].上海海事大学学报, 2020, 41(1):15-19.
• [46]吴雪琴.基于混合遗传算法的无人船自动航向控制方法[J].船舶工程, 2020, 42(11):114-117.
• [47] TUO Y L, WANG S S, PENG Z H, et al. Reliability-based fixed-time nonsingular terminal sliding mode control for dynamic positioning of turret-moored vessels with uncertainties and unknown disturbances[J]. Ocean Engineering,2022, 248:110748.
• [48]张显库,韩旭.船舶运输安全保障下的智能船舶运动控制策略[J].中国舰船研究, 2019, 14(S1):1-6.
• [49]张显库,祝慧颖.基于正弦函数处理新息的船舶模型参数辨识新算法[J].中国舰船研究, 2021, 16(5):158-162.
• [50]章沪淦,卜仁祥,李宗宣.带状态观测器的船舶路径跟踪预测滑模控制[J].计算机仿真, 2021, 38(9):262-266.
• [51]余亚磊.无人运输船舶路径跟踪自主智能控制[D].大连:大连海事大学, 2019.
• [52]沈智鹏,邹天宇,郭坦坦.输入受限的非仿射无人帆船航向系统自适应动态面控制[J].控制理论与应用, 2019, 36(9):1461-1468.
• [53]沈智鹏,邹天宇.控制方向未知的无人帆船自适应动态面航向控制[J].哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(1):94-101.
• [54]张国庆,李纪强,王文新,等.基于速度调节的无人帆船机器人自适应航向保持控制[J].控制理论与应用, 2020,37(11):2383-2390.
• [55]王亮,向金林,王鸿东.基于非线性模型和遗传算法寻优的无人艇航向PID控制研究[J].中国造船, 2020, 61(S1):21-30.
• [56]熊俊峰,李德才,何玉庆,等.喷水推进式水面机器人H∞鲁棒航向跟踪控制[J].控制理论与应用, 2019, 36(2):165-174.
• [57]熊俊峰,何玉庆,韩建达.水面机器人主动增强LPV航向保持控制[J].信息与控制, 2018, 47(3):267-275.
• [58]孙武臣,卜仁祥,刘勇.具有横倾抑制功能的船舶PID微分补偿航向控制[J].上海海事大学学报, 2020, 41(3):19-24.
• [59] ZHANG G Q, CHU S J, HUANG J S, et al. Robust adaptive fault-tolerant control for unmanned surface vehicle via the multiplied event-triggered mechanism[J].Ocean Engineering, 2022, 249:110755.
• [60]张显库,张国庆.非线性反馈理论及其在船舶运动控制中的应用[M].大连:大连海事大学出版社, 2020.
• [61]周蓉.船舶航向自适应PID控制器的设计与应用[D].大连:大连海事大学, 2012.
• [62]张显库,贾欣乐,毕英君,刘淑玲.鲁棒PID算法在船舶柴油机控制中的应用[J].自动化与仪器仪表, 2001(2):10-12.
• [63] K?LLSTR?M C G,?STR?M K J, THORELL N E, et al.Adaptive autopilots for tankers[J]. Automatica, 1979, 15(3):241-254.
• [64]?STR?M K J, K?LLSTR?M C G. Identification of ship steering dynamics[J]. Automatica, 1976, 12(1):9-22.
• [65] KIM D, TEZDOGAN T. CFD-based hydrodynamic analyses of ship course keeping control and turning performance in irregular waves[J]. Ocean Engineering, 2022, 248:110808.
• [66] KIM D, SONG S, JEONG B, et al. Unsteady RANS CFD simulations of ship manoeuvrability and course keeping control under various wave height conditions[J]. Applied Ocean Research, 2021, 117:102940.
• [67] SANADA Y, ELSHIEKH H, TODA Y, et al. ONR Tumblehome course keeping and maneuvering in calm water and waves[J]. Journal of Marine Science and Technology,2019, 24(3):948-967.
• [68]章沪淦,卜仁祥,于镓铭.船舶路径跟踪RBF神经网络滑模控制[J].上海海事大学学报, 2021, 42(4):7-11.
• [69] GAO Z Q. Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning[C]//Proceedings of the 2003 American Control Conference. IEEE,:4989-4996.