[發(fā)明專利]艦船用多回路無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810602151.2
• 申請(qǐng)日: 2018-06-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108563113B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王磊峰;廖煜雷;潘愷文;李曄;張蔚欣;姜權(quán)權(quán);范佳佳;賈知浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05B13/02
• 分類(lèi)號(hào): G05B13/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提供一種艦船用多回路無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法，本發(fā)明中控制系統(tǒng)采用外環(huán)導(dǎo)航控制器和內(nèi)環(huán)角速度控制器的組合方式，外環(huán)導(dǎo)航控制器計(jì)算期望轉(zhuǎn)艏角速度，內(nèi)環(huán)MFAC角速度控制器完成角速度控制，間接實(shí)現(xiàn)航向控制的目的。實(shí)際應(yīng)用中，角速度傳感器噪聲大，本發(fā)明利用控制系統(tǒng)歷史輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行角速度預(yù)測(cè)，通過(guò)卡爾曼濾波器對(duì)角速度數(shù)據(jù)濾波，作為內(nèi)環(huán)角速度控制器的反饋輸入，抑制角速度傳感器的噪聲，有效提高實(shí)際應(yīng)用中的控制效果。本發(fā)明將MFAC控制理論引入艦船艏向控制領(lǐng)域，借助MFAC理論獨(dú)特的自適應(yīng)性及在線數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明提供的艦船用多回路無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種艦船用多回路無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法，用于艦船艏向控制，屬于艦船自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，本發(fā)明中的艦船是指廣義上的各種水中航行裝備，如水面船舶、潛水器、潛艇、水下無(wú)人航行器、水面無(wú)人艇等，在本發(fā)明中統(tǒng)稱為艦船，都在本發(fā)明的應(yīng)用范圍內(nèi)。

背景技術(shù)

艦船的航向控制對(duì)于艦船系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要，只有保證了艦船的航向穩(wěn)定，才能有效的跟蹤期望航跡。目前在實(shí)際工程應(yīng)用中，艦船的航向控制基本上采用的是PID控制算法以及常規(guī)的基于“模型導(dǎo)向”設(shè)計(jì)策略開(kāi)發(fā)的控制算法。PID控制器是一種基于離線數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制算法，但艦船運(yùn)行于海洋環(huán)境中時(shí)容易受到模型攝動(dòng)、海洋環(huán)境干擾力等影響，導(dǎo)致PID控制器難以維持一致的控制效果，需要重新調(diào)整參數(shù)才能使系統(tǒng)保持良好控制性能或穩(wěn)定。而基于“模型導(dǎo)向”設(shè)計(jì)策略開(kāi)發(fā)的控制器，嚴(yán)重地依賴于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，由于獲得精確的數(shù)學(xué)模型十分困難，存在未建模動(dòng)態(tài)、模型攝動(dòng)等影響導(dǎo)致系統(tǒng)的自適應(yīng)較差，難以保證系統(tǒng)魯棒性能，從而很難在工程中獲得應(yīng)用。

無(wú)模型自適應(yīng)控制理論(MFAC)不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式調(diào)節(jié)控制參數(shù)，已應(yīng)用于多種領(lǐng)域并取得了良好效果，如程啟明等提出的公布號(hào)為CN101957598A,發(fā)明名稱為“一種大時(shí)滯系統(tǒng)灰色無(wú)模型控制方法”的發(fā)明專利，馬潔等發(fā)表的論文《大型艦船綜合減搖系統(tǒng)無(wú)模型自適應(yīng)控制》等，但目前已公開(kāi)的方法均不適用于艦船的艏向控制，因?yàn)榕灤聂枷蛳到y(tǒng)不滿足MFAC算法對(duì)受控系統(tǒng)“擬線性”假設(shè)條件的要求，即受控系統(tǒng)輸入增加時(shí)相應(yīng)的受控系統(tǒng)的輸出是不減的。

姜權(quán)權(quán)等人提出的發(fā)明名稱為“艦船用重定義輸出式無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制算法”的尚未公開(kāi)的專利中，在無(wú)模型自適應(yīng)控制理論(MFAC)中重定義系統(tǒng)輸出(船體艏向和角速度的函數(shù))，使得艦船的艏向控制系統(tǒng)滿足MFAC理論對(duì)受控系統(tǒng)的“擬線性”假設(shè)條件，從而使得該重定義輸出式MFAC理論可以應(yīng)用于艦船的艏向控制中。而本發(fā)明提出的方法為外環(huán)導(dǎo)航控制器和內(nèi)環(huán)角速度控制器的組合方式，MFAC控制器用于內(nèi)環(huán)角速度的控制，此外，本發(fā)明利用控制系統(tǒng)歷史輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行角速度預(yù)測(cè)，通過(guò)卡爾曼濾波器估計(jì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)艏角速度，解決了實(shí)際應(yīng)用中角速度傳感器噪聲大的問(wèn)題。因此，二者的理論基礎(chǔ)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有本質(zhì)不同，并且本發(fā)明中引入的對(duì)角速度傳感器噪聲的處理過(guò)程將有效提高實(shí)際應(yīng)用中的控制效果，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有顯著進(jìn)步。

蔡滿軍等發(fā)表的論文《一種帶有無(wú)模型外環(huán)補(bǔ)償?shù)腜ID控制》，控制系統(tǒng)采用了多回路結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)采用PID控制方法，外環(huán)無(wú)模型自適應(yīng)控制作為補(bǔ)償，實(shí)際控制系統(tǒng)輸出取外環(huán)無(wú)模型自適應(yīng)控制與內(nèi)環(huán)PID控制之和，該方法本質(zhì)為對(duì)控制系統(tǒng)中原有控制方法的加性修正，而本發(fā)明中MFAC控制器為內(nèi)環(huán)控制器，與外環(huán)導(dǎo)航控制器為串聯(lián)關(guān)系，二者原理具有本質(zhì)不同。

發(fā)明內(nèi)容