Ebook: 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