海上搜救模擬器的直升機(jī)懸?？刂?/h1>

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1、1 海上搜救模擬器的直升機(jī)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(xué)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(xué)教授,博士生導(dǎo)師,工學(xué)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(xué), 遼寧 大連 116026 )摘要： 為了研制海上搜救模擬器的直升機(jī)模擬系統(tǒng)，給出了直升機(jī)模擬的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了直升機(jī)的懸停數(shù)學(xué)模型。用鏡像映射方法和閉環(huán)增益成形算法設(shè)計了直升機(jī)的懸停魯棒控制器。用Sim

2、ulink進(jìn)行了仿真實驗，當(dāng)直升機(jī)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(dāng)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(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性。關(guān)鍵詞：水路運輸；交通控制；海上搜救模擬器；直升機(jī)；懸?？刂?；魯棒控制；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(wù)、保障社會穩(wěn)定、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障海洋運輸安全以及維護(hù)國家聲譽(yù)的一項重要社會職責(zé)。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(wù)”、“配備與其任務(wù)相適應(yīng)的搜尋救助設(shè)施和設(shè)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(wù)。我國的海上安全問題形勢嚴(yán)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(jìn)行真實再現(xiàn)的，從而加大了海上搜救訓(xùn)練的難度。眾所周知

8、，進(jìn)行搜救演習(xí)可以在某種程度上，提高搜救指揮能力和及時應(yīng)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(jìn)行搜救科目的訓(xùn)練和演練，同樣可以達(dá)到預(yù)期的效果。采用當(dāng)今先進(jìn)的技術(shù)手段和方法，如計算機(jī)成像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、無縫拼接寬視場角環(huán)幕投影技術(shù)、雷達(dá)跟蹤監(jiān)控技術(shù)以及移動視頻通信技術(shù)研制海上搜救模擬器，可設(shè)置各種遇險情況，可將遇險事故現(xiàn)場、搜救船舶及直升機(jī)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(jī)模型、設(shè)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(jì)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(jìn)行海難事故重現(xiàn)、海上搜救仿真研究、?？樟Ⅲw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(yīng)變能力和協(xié)調(diào)搜救能力，通過充分學(xué)習(xí)和借鑒先進(jìn)的海上救生技術(shù)，加強(qiáng)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(xí)，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(xí)的次數(shù)，從而可用來檢驗我國制定的海上搜救應(yīng)急預(yù)案，同時增強(qiáng)有關(guān)要投入到搜救的相關(guān)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(jī)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(guān)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(guān)的研究才剛剛起步，目前僅僅是大連海事大學(xué)在開展前期研究工作。2005年大連海事大學(xué)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(fù)投資1870萬元資助大連海事大學(xué)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(jī)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(biāo)，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(guān)鍵技術(shù)，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(guān)鍵技術(shù)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(qiáng)我國的科技競爭能力。本研究的前期研究基礎(chǔ)為大型航海模擬器2，該項目于2000獲得遼寧省科技進(jìn)步一等獎，該項目目前已經(jīng)推廣應(yīng)用于國內(nèi)10多家港航企業(yè)及大學(xué)，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)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(rèn)證，這是我國相關(guān)領(lǐng)域的科研成果第一個被國際權(quán)威組織認(rèn)證，認(rèn)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(chǔ)上，購買一些基本設(shè)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(jìn)技術(shù)，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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shè)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(jī)懸停救人、消防滅火、防污清污等。根據(jù)本系統(tǒng)的訓(xùn)練目的，教練員站不僅可以設(shè)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(zāi)難等，還可以設(shè)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(shè)置的風(fēng)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(dá)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(shè)備，增強(qiáng)深度感。主本船和副本船可根據(jù)訓(xùn)練目的方便地設(shè)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(jī)）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(jī)模擬器考慮到直升機(jī)在搜救中的特殊作用，直升機(jī)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(shè)備和高分辨率的投影設(shè)備，設(shè)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(jī)在雷達(dá)圖像和三維視景上互見。圖2為直升機(jī)模擬單元系統(tǒng)構(gòu)成。直升機(jī)模擬單元的主要設(shè)備包括：5面投影主動立體顯示CAVE系統(tǒng)、直升機(jī)模擬駕駛艙、直升機(jī)模擬控制設(shè)備和直升機(jī)動力學(xué)模型。5面投影主動立體顯示CAV

16、E系統(tǒng)投影儀微機(jī)+圖形加速卡航空雷達(dá)模擬顯示雷達(dá)信號發(fā)生器微機(jī)綜合信息顯示直升機(jī)數(shù)學(xué)模型解算及信號采集微機(jī)1000M網(wǎng)絡(luò)直升機(jī)操控設(shè)備至教練員站投影儀微機(jī)+圖形加速卡投影儀微機(jī)+圖形加速卡導(dǎo)航儀器、通信設(shè)備仿真儀表顯示圖2 直升機(jī)模擬器系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 System configuration for helicopter simulating2 直升機(jī)懸停的魯棒控制器設(shè)計直升機(jī)是海上搜救的重要工具，其機(jī)動性和靈活性得到了充分的應(yīng)用，但其并不像固定翼飛機(jī)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(jī)的懸?？刂茖τ诤Ｉ纤丫裙ぷ鱽碚f至關(guān)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(jī)在懸停狀態(tài)時，其自身的動力學(xué)特性使得其數(shù)學(xué)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(jī)的懸?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)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(shè)計問題，其計算復(fù)雜的缺點已因計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域。H¥魯棒控制理論的演繹需要艱深的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，在它的發(fā)展歷史中吸引了眾多的數(shù)學(xué)家開展了創(chuàng)造性的工作，故而使得這種控制理論以其嚴(yán)謹(jǐn)和普適的風(fēng)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(yīng)用特定的軟件包也需要在艱深的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)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(fù)雜4。本研究基于非穩(wěn)定過程的奇異值曲線與其對應(yīng)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(jī)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(biāo)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(bǔ)靈敏度函數(shù))的最大奇異值、帶寬頻率、關(guān)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(shè)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(jī)的懸停數(shù)學(xué)模型3在直升飛機(jī)進(jìn)行高增益飛行控制系統(tǒng)設(shè)計時，一般需采用含有旋翼動力學(xué)的準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)下的小擾動線性模型，這種模型經(jīng)過簡化后由機(jī)體和旋翼揮舞模型2部分組成。蹺板式旋翼直升飛機(jī)AH-1G懸停狀態(tài)的數(shù)學(xué)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(jī)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(fù)號只表明操縱極性而不影響設(shè)計，

20、可以略去，故簡化后的模型為 (2)2.2 直升飛機(jī)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(jìn)行直升飛機(jī)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(shè)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(xué)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(jī)的懸停進(jìn)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(shè)定信號不能直接設(shè)為0，代之以標(biāo)準(zhǔn)的白噪聲信號，其輸出響應(yīng)如圖3所示，圖中較深曲線為設(shè)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(shè)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(jī)的抖動頻率明顯降低，穩(wěn)定性增強(qiáng)。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(dāng)于在原名義模型的基礎(chǔ)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(jī)的抖動頻率明顯降低，這說明所設(shè)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(xiàn)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(shè)計問題的“平衡”設(shè)計方法設(shè)計了直升飛機(jī)的懸停魯棒控制器，取得了較好的控制效果，但所設(shè)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(shè)計方法較好地解決了這兩個問題。文獻(xiàn)3給出的直升飛機(jī)懸停數(shù)學(xué)模型只考慮了縱向俯仰運動，文獻(xiàn)8則給出了直升飛機(jī)懸停時考慮了縱向、橫側(cè)向俯仰、橫滾運動的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)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(biāo)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(shè)計，取得了較好的效果。后續(xù)的研究可采用該復(fù)雜的直升機(jī)數(shù)學(xué)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(jī)模擬的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了直升機(jī)的懸停數(shù)學(xué)模型，用鏡像映射方法和閉環(huán)增益成形算法設(shè)計了直升機(jī)的懸停魯棒控制器。用Matlab的Simulink進(jìn)行了仿真實驗，當(dāng)直升機(jī)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(dāng)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(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性

24、。本研究所設(shè)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(jī)模擬系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn):References:1金一丞，尹勇，張顯庫. 海上搜救模擬器建設(shè)項目工程可行性及初步設(shè)計研究報告R.大連：大連海事大學(xué)，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(xué)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(xué)報, 2006,6(4):71-74.Zhang Xian-ku, Yang Yan