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1、1 海上搜救模擬器的直升機懸停魯棒控制*收稿日期：2007-10-10基金項目: 國家973計劃子項目(2002CB312103)，國家自然科學基金項目(60504017)作者簡介: 張顯庫(1968-)，男，遼寧遼陽人，大連海事大學教授,博士生導師,工學博士,從事船舶運動控制和魯棒控制研究. 電話E-mail:Zhangxk張顯庫，尹勇，金一丞( 大連海事大學, 遼寧 大連 116026 )摘要： 為了研制海上搜救模擬器的直升機模擬系統(tǒng)，給出了直升機模擬的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了直升機的懸停數(shù)學模型。用鏡像映射方法和閉環(huán)增益成形算法設計了直升機的懸停魯棒控制器。用Sim

2、ulink進行了仿真實驗，當直升機處于懸停狀態(tài)時，系統(tǒng)的輸出為輸入的18%且抖動頻率明顯降低，當系統(tǒng)加了0.5 s純滯后模型攝動后，系統(tǒng)的輸出為輸入的32%且抖動頻率明顯降低。仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性和魯棒性。關鍵詞：水路運輸；交通控制；海上搜救模擬器；直升機；懸?？刂疲霍敯艨刂?；閉環(huán)增益成形中圖分類號：U666.153；TP273.4Robust hovering control for helicopter in marine search and rescue simulatorZhang Xian-ku, Yin Yong, Jin Yi-cheng(Laboratory of

3、 Marine Simulation and Control, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China)Abstract：In order to investigate the helicopter simulating system in marine search and rescue simulator, the system configuration of helicopter simulating was given out and the mathematical model for helicopte

4、r in hovering state was built. The robust hovering controller for helicopter was designed using mirror-injection method and closed-loop gain shaping algorithm. The simulating experiment was carried out using Simulink, the output was 18% of the input and the vibrating frequency was obviously reduced

5、when the helicopter was in hovering state. The output was 32% of the input and the vibrating frequency was obviously reduced when the system was added a model perturbation of 0.5 s pure time delay. Simulation results show that the system has strong stability and robustness. 4 figs, 8 refs.Key Words:

6、 traffic control; marine search and rescue simulator; helicopter, hovering control, robust control, closed-loop gain shapingAuthor resume: Zhang Xian-ku(1968-), male, Ph D, professor, 86-411-84729572, zhangxk.0 引言水上救助打撈是水運交通特有的行業(yè)，是國家履行國際義務、保障社會穩(wěn)定、促進經(jīng)濟發(fā)展、保障海洋運輸安全以及維護國家聲譽的一項重要社會職責。我國是國際海事組織A類理事國，是1974

7、年國際水上人命安全公約和1979年國際水上搜尋救助公約的締約國，“保證對任何水上遇險人員提供搜尋救助服務”、“配備與其任務相適應的搜尋救助設施和設備”、“建立救助協(xié)調(diào)中心和分中心”是每一個締約國的國際義務。我國的海上安全問題形勢嚴峻。近年來(2003.62006.6)，中國海上搜救中心及全國各級海上搜救中心共組織、協(xié)調(diào)海上搜救行動4437次，救助44652人，救助船舶2433艘次；而且大型客船、容滾船、液化氣船、危險品船和原油船發(fā)生事故的概率呈上升趨勢，這些船舶發(fā)生海難，社會影響極大，甚至造成重大國際影響1。由于海上遇險局面是不可能通過實船進行真實再現(xiàn)的，從而加大了海上搜救訓練的難度。眾所周知

8、，進行搜救演習可以在某種程度上，提高搜救指揮能力和及時應變能力，但耗費大量的人力、物力和財力，通過在搜救模擬器上進行搜救科目的訓練和演練，同樣可以達到預期的效果。采用當今先進的技術手段和方法，如計算機成像技術、虛擬現(xiàn)實技術、無縫拼接寬視場角環(huán)幕投影技術、雷達跟蹤監(jiān)控技術以及移動視頻通信技術研制海上搜救模擬器，可設置各種遇險情況，可將遇險事故現(xiàn)場、搜救船舶及直升機等三維視景動態(tài)、逼真地展現(xiàn)在搜救人員面前，系統(tǒng)可模擬不同船型、搜救直升機模型、設置不同海面緊急情況和遇險種類、配備可給人以高度沉浸感的虛擬環(huán)境系統(tǒng)，從而可以以較小的成本獲取較大的經(jīng)濟和社會效益，為有效地解決我國海上搜救面臨的難題提供一個

9、有效途徑。系統(tǒng)同時提供一個很好的軟硬件平臺，可更好地為海上搜救部門、港航企業(yè)利用模擬器進行海難事故重現(xiàn)、海上搜救仿真研究、海空立體模擬演練、港口工程方案論證，有利于提高海上搜救各部門緊急情況下的應變能力和協(xié)調(diào)搜救能力，通過充分學習和借鑒先進的海上救生技術，加強經(jīng)驗交流，鍛煉海上搜救隊伍。通過海上搜救模擬器可大幅度地減少實際的海上搜救的演習，通過海上搜救模擬器可以幾乎不受限制地增加海上搜救演習的次數(shù)，從而可用來檢驗我國制定的海上搜救應急預案，同時增強有關要投入到搜救的相關單位之間的協(xié)調(diào)性以及現(xiàn)場施救人員的專業(yè)素質(zhì)。目前，國際上航海模擬器的發(fā)展趨勢是將不同的模擬器，例如：船舶操縱模擬器、輪機模擬器

10、、GMDSS模擬器、裝卸模擬器等，組合為一個具有綜合功能的模擬系統(tǒng)。海上搜救模擬器實際上是一種具有海上搜救功能的綜合模擬系統(tǒng)。國外如英國的船商公司、RACAL-DECCA公司、丹麥Lyngso-VAMLET Marine公司、美國的Sperry公司等都開展了相關的研究，但到目前為止，還沒有一個綜合的海上搜救模擬器投入商業(yè)化運作。國內(nèi)相關的研究才剛剛起步，目前僅僅是大連海事大學在開展前期研究工作。2005年大連海事大學獲得國家973子項目的支持，開展海上搜救模擬器的研究，2006年12月交通部批復投資1870萬元資助大連海事大學海上搜救模擬器的研究項目。本文給出海上搜救模擬器的直升機懸停魯棒控制

11、研究結(jié)果。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)交通行業(yè)要創(chuàng)建成創(chuàng)新性行業(yè)的目標，我們自行研制海上搜救模擬器，其優(yōu)點為：（1）通過該系統(tǒng)的研制，掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關鍵技術，在研制的過程中可取得一批科技創(chuàng)新成果；（2）通過自己研制可培養(yǎng)自己的研究隊伍及高級人才；（3）因為關鍵技術自己研制，可以節(jié)約經(jīng)費；（4）打破少數(shù)國家的壟斷地位，增強我國的科技競爭能力。本研究的前期研究基礎為大型航海模擬器2，該項目于2000獲得遼寧省科技進步一等獎，該項目目前已經(jīng)推廣應用于國內(nèi)10多家港航企業(yè)及大學，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。研究的高品質(zhì)航海模擬器于2005年出口到新加坡海軍，并于2006年11月通過挪威船級社的DNV國際

12、認證，這是我國相關領域的科研成果第一個被國際權(quán)威組織認證，認證等級為A級(最高級)。在船舶操縱模擬器、GMDSS模擬器研究成果的基礎上，購買一些基本設備，融入更多虛擬現(xiàn)實的最新成果和系統(tǒng)涉及到的其他先進技術，自行研制一套功能完備的海上搜救模擬器。海上搜救模擬器主要由以下幾部分組成：教練員站1套；搜救協(xié)調(diào)中心1套；主本船1條；副本船 2條；視頻監(jiān)控系統(tǒng)1套；直升機模擬單元1套，各部分采用HLA結(jié)構(gòu)并通過LAN/WAN連接，HLA是用于產(chǎn)生計算機模型或仿真系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)，它就像一種黏合劑，能將多個小的計算機仿真系統(tǒng)聯(lián)合成為一個巨大的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如1所示。主本船直升機模擬單元1號副本船2號

13、副本船 HLA LAN/WAN教練員站視頻監(jiān)控系統(tǒng)搜救協(xié)調(diào)中心圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System configuration（1）教練員站除具有船舶操縱模擬器中教練員站的各項功能之外，還具有GMDSS系統(tǒng)中的搜救協(xié)調(diào)中心（RCC）的指揮協(xié)調(diào)、搜救資源查詢、中國船舶報告（局部）、遇險現(xiàn)場事故再現(xiàn)以及海洋氣象查詢等搜救支持系統(tǒng)功能。教練員站可以設置各種搜救科目，比如：險情處理、旅客轉(zhuǎn)移、棄船逃生、搜尋救助、直升機懸停救人、消防滅火、防污清污等。根據(jù)本系統(tǒng)的訓練目的，教練員站不僅可以設置各種情況下的險情模擬，比如：碰撞、失火、爆炸、沉沒、擱淺、自然災難等，還可以設置人員的求生方式，如人員自然落水

14、、人+救生圈、人+小艇、人+救生筏等，系統(tǒng)根據(jù)設置的風浪流等天氣情況實時計算落水人員的位置等，從而實現(xiàn)海上漂浮物的仿真。（2）主本船360°視場角柱幕投影視景系統(tǒng)，電子海圖、雷達圖像模擬、航行綜合信息顯示等功能。（3）副本船 180°視場角柱幕投影視景，配備立體顯示設備，增強深度感。主本船和副本船可根據(jù)訓練目的方便地設置為救助船或遇險船。（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)用可視電話（或攝像機）形成電視監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)搜救事發(fā)現(xiàn)場的可視化傳輸功能。（5）直升機模擬器考慮到直升機在搜救中的特殊作用，直升機單元采用五個面的CAVE系統(tǒng)（正面、左面、右面、底面、頂面），立體顯示。CAVE系統(tǒng)是一個具

15、有高度沉浸感的虛擬環(huán)境，系統(tǒng)利用高性能圖形設備和高分辨率的投影設備，設計出一種基于投影的無障礙式、融真實世界與虛擬世界于一體的虛擬環(huán)境。CAVE的可視化環(huán)境是由包圍著觀察者的投影面（前、左、右、底、頂）組成的四方空間。觀察者置身其中只需配備輕便的立體眼鏡和頭部跟蹤器就能感受到投影圖像充滿著空間。隨著觀察者在此空間的漫游，觀察者可以觀察到周圍“環(huán)境”的動態(tài)變化，給人以極真實的沉浸感。船舶與直升機在雷達圖像和三維視景上互見。圖2為直升機模擬單元系統(tǒng)構(gòu)成。直升機模擬單元的主要設備包括：5面投影主動立體顯示CAVE系統(tǒng)、直升機模擬駕駛艙、直升機模擬控制設備和直升機動力學模型。5面投影主動立體顯示CAV

16、E系統(tǒng)投影儀微機+圖形加速卡航空雷達模擬顯示雷達信號發(fā)生器微機綜合信息顯示直升機數(shù)學模型解算及信號采集微機1000M網(wǎng)絡直升機操控設備至教練員站投影儀微機+圖形加速卡投影儀微機+圖形加速卡導航儀器、通信設備仿真儀表顯示圖2 直升機模擬器系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 System configuration for helicopter simulating2 直升機懸停的魯棒控制器設計直升機是海上搜救的重要工具，其機動性和靈活性得到了充分的應用，但其并不像固定翼飛機那樣穩(wěn)定，是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，控制起來較為困難。直升飛機的懸?？刂茖τ诤Ｉ纤丫裙ぷ鱽碚f至關重要，如果懸?？刂频貌环€(wěn)，將直接影響救人或救助物資

17、的運輸。直升飛機在懸停狀態(tài)時，其自身的動力學特性使得其數(shù)學模型表現(xiàn)為非最小相位或不穩(wěn)定或同時包含有這2種情況3，這就給直升飛機的懸?？刂葡到y(tǒng)的設計帶來困難。H¥魯棒控制理論的提出解決了頻域中MIMO系統(tǒng)魯棒控制器設計問題，其計算復雜的缺點已因計算機技術的飛速發(fā)展及標準的軟件開發(fā)工具箱的出現(xiàn)得到克服，故近十多年來已成為控制理論的一個熱點研究領域。H¥魯棒控制理論的演繹需要艱深的數(shù)學基礎，在它的發(fā)展歷史中吸引了眾多的數(shù)學家開展了創(chuàng)造性的工作，故而使得這種控制理論以其嚴謹和普適的風格形成控制論的一個獨特的分枝。但是，在用H¥魯棒控制理論求解非穩(wěn)定過程的魯棒控制器時，即使

18、應用特定的軟件包也需要在艱深的數(shù)學基礎上進行大量的實驗選擇權(quán)函數(shù)，往往選擇一組能求解出穩(wěn)定控制器的權(quán)函數(shù)非常困難，求解過程復雜4。本研究基于非穩(wěn)定過程的奇異值曲線與其對應于虛軸的鏡像映射的穩(wěn)定過程的奇異值曲線相同或相近的原理，采用閉環(huán)增益成形算法4對直升飛機這一不穩(wěn)定過程經(jīng)鏡像映射的穩(wěn)定過程求解魯棒控制器，因閉環(huán)增益成形方法直接根據(jù)魯棒性能指標的奇異值曲線形狀用閉環(huán)系統(tǒng)具有工程意義的閉環(huán)傳遞函數(shù)(或補靈敏度函數(shù))的最大奇異值、帶寬頻率、關門斜率及閉環(huán)頻譜峰值四大參數(shù)構(gòu)造出魯棒控制器，屬于圖形求解方法，故該控制器對非穩(wěn)定過程同樣具有魯棒性。該方法通過鏡像映射獲得非穩(wěn)定過程的奇異值曲線相同的穩(wěn)定過

19、程，用間接方法取代直接的魯棒控制器求解方法，求解過程異常簡單，工程意義明確，設計的控制器階次較低，具有控制性能和魯棒穩(wěn)定性良好的特點。2.1 直升飛機的懸停數(shù)學模型3在直升飛機進行高增益飛行控制系統(tǒng)設計時，一般需采用含有旋翼動力學的準靜態(tài)假設下的小擾動線性模型，這種模型經(jīng)過簡化后由機體和旋翼揮舞模型2部分組成。蹺板式旋翼直升飛機AH-1G懸停狀態(tài)的數(shù)學模型為 (1) 式中為俯仰角，是槳轂傾斜盤的縱向傾斜角。式(1)由3部分組成，第一部分為機體模型，為不穩(wěn)定性的主要來源；第二部分為縱向揮舞模型，是穩(wěn)定的；第三部分為旋翼模型，也是穩(wěn)定的，一般情況可忽略。式(1)中的負號只表明操縱極性而不影響設計，

20、可以略去，故簡化后的模型為 (2)2.2 直升飛機的懸停魯棒控制運用鏡像映射方法和閉環(huán)增益成形算法相結(jié)合進行直升飛機的懸停魯棒控制。將式(2)的不穩(wěn)定零極點換成其穩(wěn)定零極點的鏡像映射模型為4 (3) 設閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬頻率為，則由二階閉環(huán)增益成形算法4-7知：，將式(3)的數(shù)學模型代入并取閉環(huán)頻譜的帶寬頻率為2 rad/s()，得 （4）這是一個4階的穩(wěn)定控制器。用Matlab的Simulink對直升飛機的懸停進行仿真研究，用式(4)控制式(2)的模型，為了描述懸停狀態(tài)，設定信號不能直接設為0，代之以標準的白噪聲信號，其輸出響應如圖3所示，圖中較深曲線為設定輸入信號，中間較淺曲線為控制的輸出曲線

21、，從圖中可以看出，設定信號最大值為4°，平均為0°，經(jīng)過魯棒控制后，系統(tǒng)的輸出最大值為0.71°，均值為0°，而且直升飛機的抖動頻率明顯降低，穩(wěn)定性增強。為了驗證控制器的魯棒性，圖4給出了攝動模型的控制效果，這相當于在原名義模型的基礎上加了一個時間常數(shù)為0.5 s的純滯后環(huán)節(jié)，從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的輸出由原最大值4°(深色曲線)降為1.27°(中間淺色曲線)，控制性能稍微下降，但仍然穩(wěn)定，而且直升飛機的抖動頻率明顯降低，這說明所設計的控制器具有一定的魯棒性。t/st/s圖3 名義模型的控制效果 圖4 攝動模型的控制效果Fig.3

22、Control effects of nominal model Fig.4 Control effects of perturbed model文獻3采用了Horowitz提出的解決非最小相位且不穩(wěn)定對象控制器設計問題的“平衡”設計方法設計了直升飛機的懸停魯棒控制器，取得了較好的控制效果，但所設計的控制器為不穩(wěn)定的，且存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。本文所給出的用鏡像映射方法和閉環(huán)增益成形算法相結(jié)合的設計方法較好地解決了這兩個問題。文獻3給出的直升飛機懸停數(shù)學模型只考慮了縱向俯仰運動，文獻8則給出了直升飛機懸停時考慮了縱向、橫側(cè)向俯仰、橫滾運動的數(shù)學模型。文獻8提出了一種圖形化多回路控制律魯棒選參方法，

23、將針對閉環(huán)系統(tǒng)的指標要求直接映射到增益參數(shù)平面，從而以直觀的形式實現(xiàn)面向ADS-33E品質(zhì)規(guī)范的控制律魯棒參數(shù)設計，取得了較好的效果。后續(xù)的研究可采用該復雜的直升機數(shù)學模型。3 結(jié) 語本文首先論述了研制海上搜救模擬器的意義，然后給出了海上搜救模擬器和直升機模擬的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了直升機的懸停數(shù)學模型，用鏡像映射方法和閉環(huán)增益成形算法設計了直升機的懸停魯棒控制器。用Matlab的Simulink進行了仿真實驗，當直升機處于懸停狀態(tài)時，系統(tǒng)的輸出為輸入的18%且抖動頻率明顯降低，當系統(tǒng)加了0.5 s純滯后模型攝動后，系統(tǒng)的輸出為輸入的32%且抖動頻率明顯降低。仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性和魯棒性

24、。本研究所設計的控制器為4階穩(wěn)定的控制器，為研制海上搜救模擬器的直升機模擬系統(tǒng)奠定了理論基礎。參考文獻:References:1金一丞，尹勇，張顯庫. 海上搜救模擬器建設項目工程可行性及初步設計研究報告R.大連：大連海事大學，2006. Jin Yi-cheng, Yin Yong, Zhang Xian-ku. Engineering feasibility and primary design research reports for marine search and rescue simulatorR. Dalian: Dalian Maritime University, 2006.

25、 2張顯庫, 金一丞. 控制系統(tǒng)建模與數(shù)字仿真M. 大連:大連海事大學出版社, 2004. Zhang Xian-ku, Jin Yi-cheng. Modeling and digital simulation for control systemM. Dalian: Dalian Maritime University Press, 2004. 4張顯庫，賈欣樂. 船舶運動控制M.北京：國防工業(yè)出版社, 2006.Zhang Xian-ku, Jia Xin-le. Ship motion controlM. Beijing: National Defense Industry Press, 2006. 5張顯庫, 楊鹽生, 郭晨. 舵鰭聯(lián)合減搖的魯棒控制系統(tǒng)J. 交通運輸工程學報, 2006,6(4):71-74.Zhang Xian-ku, Yang Yan