CN108319140A - 一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法及系统，给定航向系统的期望输出量y*(k)＝f(r*,ψ*)并输入至无模型自适应控制器，将航向系统输出量y(k)＝f(r,ψ)作为无模型自适应控制器的负反馈输入，通过无模型自适应控制器解算和在线辨识，输出期望输入u(k)，期望输入u(k)输入至操纵机构，操纵机构执行期望输入指令，将执行结果输入至水中航行设备，改变水中航行设备的航向角速度r和航向角ψ，通过姿态传感器作为负反馈输入至无模型自适应控制器。本发明通过重定义舰船航向系统的输出，使得水中航行设备航向系统满足MFAC理论对受控系统“拟线性”假设条件的要求，即控制输入增加时，相应的受控系统输出是不减的。从而使得该重定义输出式MFAC算法适应于舰船的航向控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应航向控制方法及系统，特别是一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法及系统，属于自动控制领域。
背景技术
舰船的航向控制对于舰船系统来说非常重要，只有保证了舰船的航向稳定，才能有效的跟踪期望航迹。目前在实际工程应用中，舰船的航向控制基本上采用的是PID控制算法以及常规的基于“模型导向”设计策略开发的控制算法。PID控制器是一种基于离线数据的数据驱动控制算法，但舰船运行于海洋环境中时容易受到模型摄动、海洋环境干扰力等影响，导致PID控制器难以维持一致的控制效果，需要重新调整参数才能使系统保持良好控制性能或稳定。而基于“模型导向”设计策略开发的控制器，严重地依赖于系统数学模型，由于获得精确的数学模型十分困难，存在未建模动态、模型摄动等影响导致系统的自适应较差，难以保证系统鲁棒性能，从而很难在工程中获得应用。
公开日2011年01月26日，公布号为CN101957598A,发明名称为“一种大时滞系统灰色无模型控制方法”，把灰色预测模型与MFAC算法结合起来，采用在MFAC算法中加入灰色预测模型的控制方法来实现复杂对象进行控制，实现大时滞系统的灰色无模型控制。在文献“大型舰船综合减摇系统无模型自适应控制”，作者马洁利用MFAC算法设计了减摇鳍/被动舱综合控制的控制器，仿真试验表明大型舰船采用MFAC算法设计的减摇鳍/被动舱综合控制方案在各种航态下均能取得很好的减摇效果。
但上述MFAC算法均不适用于舰船的航向控制，因为舰船的航向系统不满足MFAC算法对受控系统“拟线性”假设条件的要求，即受控系统输入增加时相应的受控系统的输出是不减的。
发明内容
针对上述现有技术，本发明所解决的技术问题是提供一种使得各种水中航行设备的航向系统满足MFAC理论对受控系统的“拟线性”假设条件的重定义输出式无模型自适应航向控制方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法，包括以下步骤：
步骤一：初始化期望常数e0和时间常数t0；
步骤二：将航向系统输出量y(k)定义为y(k)＝f(r,ψ)，其中k为系统运行次数，r为水中航行设备的航向角速度，ψ为水中航向设备的航向角；
步骤三：将航向系统的期望输出量y*(k)定义为y*(k)＝f(r*,ψ*)，其中r*为期望角速度，ψ*为期望航向；
步骤四：将重定义系统期望输出量y*(k)(即期望航向)与重定义输出量y(k)相减得到航向状态误差e(k)包含舰船的航向和角速度信息)，将将重定义系统期望输出量y*(k)与舰船的实际航向ψ做差得到舰船的航向误差e1(k)，当舰船的航向误差的绝对值|e1(k)|小于设定的航向误差的阈值e0，并且保持|e1(k)|＜e0的时间t大于设定的时间阈值t0时，认为系统实际输出稳定收敛到期望输出并跳出循环并结束否则，执行步骤五。
步骤五：将e(k)作为无模型自适应控制器的输入解算出期望输入u(k)，所述无模型自适应控制器采用重定义紧格式动态线性化无模型自适应控制算法，所述算法满足：
当|Δu(k-1)|≤ε或或
其中，ρ∈(0,1]为步长因子，η∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重系数，λ＞0为常变量，φ(k)为伪偏导数，为方法运行k次伪偏导数估计值，为方法运行k-1时伪偏导数估计值，Δy(k)为方法运行k次时的航向系统输出量与方法运行k-1次时的航向系统输出量的差值，u(k)为方法运行k次时航向系统期望输入，u(k-1)为方法运行k-1次时航向系统期望输入，Δu(k-1)为方法运行k-1次时航向系统期望输入与方法运行k-2次时航向系统期望输入之差，ε为一个充分小的正常数，ε∈(0,0.001]。
步骤六：更新期望输入u(k)，将期望输入指令下达到操纵机构，操作机构执行期望输入指令，改变水中航行设备航向；
步骤七：通过姿态传感器测得水中航行设备的航向角ψ和航向角速度r，更新航向系统输出y(k)，执行步骤四。
本发明一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法，还包括：
1.将航向系统输出量y(k)定义为k1×r+ψ，航向系统的期望输出量y*(k)定义为k1×r*+ψ*，k1为增益系数和水中航行装备系统的动力学特性有关。
2.期望输入u(k)为期望舵角。
3.操纵机构为舵机或速度差动等驱动模型。
本发明一种基于以上重定义输出式无模型自适应航向控制方法的航向控制系统，给定航向系统的期望输出量y*(k)＝f(r*,ψ*)并输入至无模型自适应控制器，将航向系统输出量y(k)＝f(r,ψ)作为无模型自适应控制器的负反馈输入，通过无模型自适应控制器解算和在线辨识，输出期望输入u(k)，期望输入u(k)输入至操纵机构，操纵机构执行期望输入指令，将执行结果输入至水中航行设备，改变水中航行设备的航向角速度r和航向角ψ，通过姿态传感器作为负反馈输入至无模型自适应控制器。
本发明一种重航向控制系统，还包括：
1.航向系统输出量y(k)定义为k1×r+ψ，航向系统的期望输出量y*(k)定义为k1×r*+ψ*，k1为增益系数和水中航行装备系统的动力学特性有关。
2.操纵机构为舵机或速度差动等驱动模型。
3.执行结果为期望舵角。
本发明有益效果在于：本发明通过重定义舰船航向系统的输出，使得舰船的航向系统满足MFAC理论对受控系统的“拟线性”假设条件，从而使得该重定义输出式MFAC算法可以应用于舰船的航向控制中。通多将原航向系统的输出y(k)即舰船航向，重定义为y(k)＝f(r,ψ)形式，y(k)＝f(r,ψ)包含了线性(如k1×r+ψ)、非线性(如tanh(k1×r+ψ))等多种具体数学表达形式，本发明以线性叠加形式为例，取重定义输出y(k)为k1×r+ψ，其中r为舰船航向加速度，k1是增益系数和舰船系统的动力学特性有关，考虑一种极端情况当舰船的艏向增大到180度时，下一时刻变为-180度，通过理论推导当时，使得舰船航向系统满足MFAC理论对受控系统“拟线性”假设条件的要求，即控制输入增加时，相应的受控系统输出是不减的。其中TS表示重定义输出式MFAC算法执行一次的时间，K，T为舰船的操纵性系数，Δu(k)为重定义输出式MFAC算法执行第k次时舰船的舵角与重定义输出式MFAC算法执行第k-1次时舰船的舵角之差。
附图说明
图1是本发明系统整体框图；
图2是本发明的方法流程图；
具体实施方式
本发明中的舰船是指广义上的各种水中航行装备，如水面船舶、潜水器、潜艇、水下无人航行器、水面无人艇等，在本发明中统称为舰船，都在本发明的应用范围内。
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
图1表述了本发明的航向系统模型，在环境干扰条件下，首先给出期望航向ψ*和期望航向角速度r*的命令，本发明以线性叠加形式为例，将重定义舰船航向系统输出y(k)定义为k1×r+ψ。其中r为舰船的艏向角速度，k1为增益系数，ψ为舰船的实际艏向。将y(k)并作为MFAC控制器的负反馈输入，控制器进行解算和不断在线辨识，得出舰船航向系统输入量即u(k)，舰船系统执行期望输入指令，不断更新舰船系统的实际航向和角速度，进而再次进入负反馈回路中，直到实际航向和角速度达到期望量。
图2表述了本发明的系统流程图。在环境干扰条件下，具体实现步骤如下：
(1)重定义航向系统的输出量：将原来航向系统的输出量y(k)即航向角ψ，重定义为y(k)＝f(r,ψ)的形式，本发明以线性叠加形式为例，将重定义系统输出y(k)定义为k1×r+ψ。其中r为航向角速度，k1为增益系数和舰船系统的动力学特性有关。考虑一种极端情况当舰船的艏向增大到180度时，下一时刻变为-180度，通过理论推导当时，其中TS表示重定义输出式MFAC算法执行一次的时间，Δu(k)为重定义输出式MFAC算法执行第k次时舰船的舵角与重定义输出式MFAC算法执行第k-1次时舰船的舵角之差，K，T为舰船的操纵性系数，取适当的k1使得舰船航向系统满足MFAC理论对受控系统“拟线性”假设条件的要求，即控制输入增加时，相应的受控系统输出是不减的。
(2)将重定义系统期望输出量y*(k)(即期望航向)与重定义输出量y(k)相减得到航向状态误差e(k)包含舰船的航向和角速度信息)，将将重定义系统期望输出量y*(k)与舰船的实际航向ψ做差得到舰船的航向误差e1(k)，当舰船的航向误差的绝对值|e1(k)|小于设定的航向误差的阈值e0，并且保持|e1(k)|＜e0的时间t大于设定的时间阈值t0时，认为系统实际输出稳定收敛到期望输出并跳出循环并结束，否则将e(k)作CFDL_MFAC控制器的输入解算出期望输入u(k)并进入步骤(3)。
(3)更新期望输入u(k)，并将期望输入指令下到达操纵机构(舵机或速度差动等驱动模型)，舵机或速度差动等机构执行得到的期望输入指令，改变舰船航向，通过舰船上的磁罗经或GPS等姿态传感器测得舰船的航向角ψ和航向角速度r进而得到系统的重定义输出y(k)即k1×r+ψ并转向步骤(2)。
一种重定义输出式无模型自适应航向控制算法包括如下步骤：
(1)重定义航向系统的输出量：将原来航向系统的输出量y(k)即航向角ψ，重定义为y(k)＝f(r,ψ)的形式，本发明以线性叠加形式为例，将重定义系统输出y(k)定义为k1×r+ψ。其中r为舰船的航向角速度，k1为增益系数和舰船系统的动力学特性有关。
(2)将航向系统的期望输出量y*(k)与重定义输出量y(k)相减并取绝对值，得到系统输出误差e(k)，当e(k)小于一个期望的常数e0，并保持一定时间时，认为系统实际输出稳定收敛到期望值，进而跳出循环，否则将e(k)作为MFAC控制器的输入解算出期望输入u(k)并进入步骤(3)。此处以重定义紧格式无模型自适应控制(compact format dynamiclinearization model free adaptive control,CFDL_MFAC)算法为例，重定义CFDL_MFAC航向控制算法如下，利用下式可由e(k)求出期望输入u(k)：
当|Δu(k-1)|≤ε或或
其中，ρ∈(0,1]为步长因子，η∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重系数，λ＞0为常变量，φ(k)为伪偏导数，为方法运行k次伪偏导数估计值，为方法运行k-1时伪偏导数估计值，Δy(k)为方法运行k次时的航向系统输出量与方法运行k-1次时的航向系统输出量的差值，u(k)为方法运行k次时航向系统期望输入，u(k-1)为方法运行k-1次时航向系统期望输入，Δu(k-1)为方法运行k-1次时航向系统期望输入与方法运行k-2次时航向系统期望输入之差，ε为一个充分小的正常数，ε∈(0,0.001]。
(3)更新操纵机构的期望输入u(k)，并将期望输入指令下到达操纵机构(舵机或速度差动等模型)，舵机或速度差动等机构执行接收到的期望输入指令，改变舰船航向，通过舰船上的磁罗经测得舰船的航向ψ和航向角速度r从而得到系统的重定义输出y(k)本文以其线性叠加形式为例即k1×r+ψ并转向步骤(2)
针对MFAC控制算法对受控系统的要求，重定义航向系统输出y(k)的形式为y(k)＝f(r,ψ)，y(k)＝f(r,ψ)包含了线性(如k1×r+ψ)、非线性(如tanh(k1×r+ψ))等多种具体数学表达形式，任何数学表述为y(k)＝f(r,ψ)的重定义输入型无模型自适应控制方法，皆属于本专利所保护范围。本发明以线性叠加形式为例，将重定义系统输出y(k)定义为k1×r+ψ。其中r为舰船的艏向角速度，k1为增益系数。
增益系数k1是和舰船系统的动力学特性有关的正常量，通过理论推导或试验获取并使其满足当系统输入增大时，航向系统的重定义输出是不减的。通过重定义航向系统的输出，从而使得舰船的航向系统满足MFAC算法对受控系统“拟线性”假设条件—即控制输入增加时相应的受控系统输出是不减的要求。使得该重定义输出式MFAC算法，适用于舰船的航向控制。
舰船航向控制系统不满足无模型自适应控制(model free adaptive control，MFAC)算法的“拟线性”假设条件，导致MFAC算法不适用于舰船航向控制系统，本发明舰船用重定义输出式无模型自适应航向控制算法解决了上述问题，从而拓展了MFAC理论的适用范围。主要步骤：(1)重定义航向控制系统的输出量：将原来航向系统的输出量y(k)即航向角ψ，重定义为y(k)＝f(r,ψ)的形式，本发明以线性叠加形式为例，将重定义系统输出y(k)定义为k1×r+ψ。其中r为舰船的航向角速度，k1为增益系数和舰船系统的动力学特性有关。(2)将重定义系统期望输出量y*(k)(即期望航向)与重定义输出量y(k)相减得到航向状态误差e(k)包含舰船的航向和角速度信息)，将将重定义系统期望输出量y*(k)与舰船的实际航向ψ做差得到舰船的航向误差e1(k)，当舰船的航向误差的绝对值|e1(k)|小于设定的航向误差的阈值e0，并且保持|e1(k)|＜e0的时间t大于设定的时间阈值t0时，认为系统实际输出稳定收敛到期望输出并跳出循环并结束，否则将e(k)作为CFDL_MFAC控制器的输入解算出操纵机构的期望输入u(k)并进入步骤(3)。(3)根据动态变化的输入误差不断更新期望输入，通过操纵机构(舵机或速度差动等驱动模型)驱使舰船的实际航向逐步收敛于期望航向，从而实现对舰船航向的自适应控制。与其他航向控制算法不同，借助MFAC算法独特的自适应性及在线数据驱动优点，重定义输出式MFAC方法使得舰船航向控制系统具有很强的自适应性。
Claims (8)
1.一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：初始化期望常数e0和时间常数t0；
步骤二：将航向系统输出量y(k)定义为y(k)＝f(r,ψ)，其中k为系统运行次数，r为水中航行设备的航向角速度，ψ为水中航向设备的航向角；
步骤三：将航向系统的期望输出量y*(k)定义为y*(k)＝f(r*,ψ*)，其中r*为期望角速度，ψ*为期望航向；
步骤四：将重定义系统期望输出量y*(k)(即期望航向)与重定义输出量y(k)相减得到航向状态误差e(k)包含舰船的航向和角速度信息)，将将重定义系统期望输出量y*(k)与舰船的实际航向ψ做差得到舰船的航向误差e1(k)，当舰船的航向误差的绝对值|e1(k)|小于设定的航向误差的阈值e0，并且保持|e1(k)|＜e0的时间t大于设定的时间阈值t0时，认为系统实际输出稳定收敛到期望输出并跳出循环并结束，否则执行步骤五；
步骤五：将e(k)作为无模型自适应控制器的输入解算出期望输入u(k)，所述无模型自适应控制器采用重定义紧格式动态线性化无模型自适应控制算法，所述算法满足：
当|Δu(k-1)|≤ε或或
其中，ρ∈(0,1]为步长因子，η∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重系数，λ＞0为常变量，φ(k)为伪偏导数，为方法运行k次伪偏导数估计值，为方法运行k-1时伪偏导数估计值，Δy(k)为方法运行k次时的航向系统输出量与方法运行k-1次时的航向系统输出量的差值，u(k)为方法运行k次时航向系统期望输入，u(k-1)为方法运行k-1次时航向系统期望输入，Δu(k-1)为方法运行k-1次时航向系统期望输入与方法运行k-2次时航向系统期望输入之差，ε为一个充分小的正常数，ε∈(0,0.001]。
步骤六：更新操纵机构的期望输入u(k)(如期望舵角)，将期望输入指令下达到操纵机构，操作机构执行期望输入指令，改变水中航行设备航向；
步骤七：通过姿态传感器测得水中航行设备的航向角ψ和航向角速度r，更新航向系统输出y(k)，执行步骤四。
2.根据权利要求1所述的一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法，其特征在于：将航向系统输出量y(k)定义为k1×r+ψ，航向系统的期望输出量y*(k)定义为k1×r*+ψ*，k1为增益系数和水中航行装备系统的动力学特性有关。
3.根据权利要求1所述的一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法，其特征在于：所述期望输入u(k)为期望舵角。
4.根据权利要求1所述的一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法，其特征在于：所述操纵机构为舵机或速度差动等驱动模型。
5.一种基于权利要求1所述的重定义输出式无模型自适应航向控制方法的航向控制系统，其特征在于：给定航向系统的期望输出量y*(k)＝f(r*,ψ*)并输入至无模型自适应控制器，将航向系统输出量y(k)＝f(r,ψ)作为无模型自适应控制器的负反馈输入，通过无模型自适应控制器解算和在线辨识，输出期望输入u(k)，期望输入u(k)输入至操纵机构，操纵机构执行期望输入指令，将执行结果输入至水中航行设备，改变水中航行设备的航向角速度r和航向角ψ，通过姿态传感器作为负反馈输入至无模型自适应控制器。
6.根据权利要求5所述的一种航向控制系统，其特征在于：航向系统输出量y(k)定义为k1×r+ψ，航向系统的期望输出量y*(k)定义为k1×r*+ψ*，k1为增益系数和水中航行装备系统的动力学特性有关。
7.根据权利要求5所述的一种航向控制系统，其特征在于：所述操纵机构为舵机或速度差动等驱动模型。
8.根据权利要求5所述的一种航向控制系统，其特征在于：所述执行结果为期望舵角。
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