CN108733057A - 一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法。首先利用二阶跟踪微分器优化明轮船航向的过渡过程,跟踪输入信号和输入信号的微分信号；再由观测到的输出信号和被控对象的输入信号通过扩张状态观测器确定出明轮船航向系统的内部状态信息；将跟踪到的输入信号和观测到的输出信号之间的误差,以及跟踪到的输入信号的微分信号和观测到的输出信号的微分信号之间的误差,通过非线性状态误差反馈控制律计算得到一个非线性状态误差反馈控制量；最后将得到的非线性状态误差反馈控制量以及扩张状态观测器扩张出来的扰动估计值得出最终控制量。明轮船航向自抗扰控制器使明轮船航向控制过程快速、平滑，实现高精度的明轮船航向保持控制。
Description
技术领域
本发明涉及明轮船航向控制领域，特别设计一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法。
背景技术
我国是一个水产养殖大国，随着经济发展和人民生活水平的提高，丰富的水产品不仅大幅度改善了人民的生活，也使水产养殖业成为国民经济的支柱产业之一。由于国内的水产养殖通常位于近海或者内河水域，水浅、水下植被较多、水情较为复杂，开发和设计具有低速机动性好、吃水浅的水面作业平台是必然的选择。在水产养殖行业，由于工作环境的限制，水面作业装备通常处于低速运动状态，无需高速运动。此时舵控方向的螺旋桨船舶不能有效控制其航向和航迹，螺旋桨容易被水生植物缠绕，搅断各类植物，造成水体污染，影响水质。因此，用于均匀投饵作业的水产养殖明轮船具有重要的实用价值。水产养殖明轮船导航控制系统中，船体的航向控制是其中的关键环节，能否控制船体严格按照设定航向航行会直接地影响饵料投放的均匀度，一种精确的航向控制方法可以增强导航控制系统的实时性，提高水产养殖明轮船的工作效率。
目前已有一些明轮船航向控制方法,但都存在着一些不足,如申请号为201610095261.5的专利“一种水产养殖作业船自动导航路径跟踪方法”利用PD模块对明轮船的航向进行控制，很难消除外部干扰对明轮船航向的影响。采用自抗扰技术的航向控制器可以精确地估计出外部扰动，从而达到高精度的航向控制。
发明内容
本发明主要为了解决已有水产养殖作业船转向控制精度低的问题，目的在于提供一种参数适应性强，保证高精度控制的水产养殖明轮船航向控制方法。
本发明所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖船航向控制方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤一、二阶跟踪微分器优化水产养殖明轮船航向的过渡过程,跟踪输入信号和输入信号的微分信号；
步骤二、由观测到的输出信号和被控对象的输入信号通过扩张状态观测器确定出明轮船航向系统的内部状态信息；
步骤三、将由跟踪到的输入信号和观测到的输出信号之间的误差,以及跟踪到的输入信号的微分信号和观测到的输出信号的微分信号之间的误差,通过非线性状态误差反馈控制律计算得到一个非线性状态误差反馈控制量；
步骤四、由得到的非线性状态误差反馈控制量以及扩张状态观测器扩张出来的扰动估计值得出最终控制量，即航向调整量；
步骤五、由得到的航向调整量通过明轮船航向控制系统生成左右明轮的转向转速。
自抗扰航向控制器模块采用跟踪微分器，其作用是可以使系统输入光滑的输入信号，并提取输入信号的微分信号，避免因航向角设定值突变造成跟踪到的输入信号剧烈变化而产生超调。跟踪微分器的离散算法为
fhan函数的算法公式为
式中fhan函数为最速控制综合函数，d、d0、y、a0、a为fhan函数内部变量，v为明轮船给定航向，v1对所述信号v进行快速无超调跟踪，同时v2跟踪所述信号v的微分信号，r、h为跟踪微分器需要设定的参数。
自抗扰航向控制器模块采用非线性扩张状态观测器，其作用是把养殖船运行时受到的水流、自然风的外部干扰都等效为系统发生的扰动，然后进行估计和补偿，将非线性的养殖船航向控制系统转化成线性系统,实现动态补偿线性化，同时保证系统对干扰有很好的抑制作用。非线性扩张状态观测器的离散算法为
非线性函数fal的表达式为
式中z1为估计跟踪到的明轮船实际航向，z2为估计跟踪到的明轮船实际航向的变化率，z3为明轮船航向扰动估计值，e为估计跟踪到的实际航向与实际航向之间的误差β01，β02，β03，b0，α，δ为扩张状态观测器需要设定的参数。
自抗扰航向控制器模块采用非线性状态误差反馈控制率，其作用是根据实际航向与给定航向的误差e1和实际航向变化率与给定航向变化率的误差e2通过非线性状态误差反馈控制律计算得到一个非线性状态误差反馈控制量u0，再由误差反馈控制量u0以及扩张状态观测器扩张出来的扰动估计值z3决定最终控制量，即航向调整量u。非线性状态误差反馈控制率的离散算法为
式中v1为跟踪到的明轮船给定航向，v2为跟踪到的明轮船给定航向变化率，z1为估计跟踪到的明轮船实际航向，z2为估计跟踪到的明轮船实际航向变化率，z3为明轮船航向扰动估计值，e1为明轮船实际航向与估计跟踪到的实际航向的误差，e2为明轮船实际航向变化率与估计跟踪到的实际航向变化率的误差，u0为非线性状态误差反馈控制量，u为明轮船航向控制的最终控制量，kp，kd，δ1，α1，α2，b0为非线性状态误差反馈控制率需要设定的参数。
航向调整量经过明轮船航向控制系统后生成左右明轮转速差δn，左明轮航向转速δnl，右明轮航向转速δnr。其中，
本发明采用上述技术后，具有以下技术效果：根据本发明所涉及的一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法，利用二阶跟踪微分器优化明轮船航向过渡过程，通过非线性状态误差反馈控制律来控制被控对象，由扩张观状态测器对明轮船航向控制系统的扰动进行估计和补偿，把系统内部不确定因素和外部扰动都等效为系统发生的扰动，并将非线性系统变为线性积分串联型系统，从而实现系统的动态反馈线性化。无论被控对象是确定的还是不确定的，线性的还是非线性的，时变的还是时不变的，经过扩张状态观测器的估计和补偿都可以用统一的方法进行控制。
附图说明
图1为明轮船航向控制系统原理结构图；
图2为自抗扰航向控制器仿真模型；
图3为PD航向控制器仿真模型；
图4为两种控制方法仿真波形对比图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明所涉及的基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法作详细的描述。
由图1可知，所述明轮船航向控制方法，其原理结构图包括自抗扰航向控制器、转向角映射器、航向左右分配器、电机转速控制器、GPS模块和惯导模块。该控制方法包括以下步骤：
步骤一、自抗扰航向控制器通过GPS模块采集明轮船当前的经纬度坐标并结合目标点计算出目标航向v，通过惯导模块实时地获取明轮船的当前航向y，两路信号经自抗扰航向控制器给出航向调整量δ(δ的作用类似舵角)。特别地，由于惯导模块长时间运行会产生累积误差，所以必须每隔一段时间使用GPS模块对惯导模块的数据进行修正。其中，控制器采用SAMSUNG公司基于ARM920T内核设计的低成本、高效率的32位处理器S3C2440A。
步骤二、航向调整量δ经航向角映射器转换成左右明轮的转速差δn，送至航向左右分配器。
步骤三、航向左右分配器将转速差生成左明轮转向转速δnl，右明轮转向转速δnr。例如，若明轮船右转，δnl为正；若明轮船左转，δnl为负。左右转向转速信号δnl和δnr各自送至左、右明轮转速控制器，明轮转速控制器根据处理结果调用PWM生成模块和GPIO输出模块生成对应的电压控制左、右明轮电动机的转速，推动明轮船按照预定方向航行。采用该控制系统时，当明轮船需要改变航向的时候，通过左右明轮分别加减转速形成扭矩，使明轮船平稳转向。
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，将对照基于自抗扰技术的航向控制方法与传统的PD航向控制方法进行对比。显而易见地，下面描述的仅仅是针对一个具体明轮船，对于本领域技术人员来讲，如果使用该方法进行航向控制，还应针对具体应用的明轮船的参数进行分析运算。
仿真和实验采用的明轮船参数如表1所示：
表1明轮船参数表
| 船长(m) | 船宽(m) | 船速(m/s) |
| 1.4 | 0.85 | 0.3 |
| 吃水(满载)(m) | 方形系数 | 重心距中心距离(m) |
| 0.4 | 0.6 | 0.2 |
根据航向调整量δ(δ的作用类似舵角)与航向的二阶输入—输出响应方程
得到传递函数
根据明轮船的具体参数求出传递函数为
使用simulink工具对自抗扰航向控制器和PD航向控制器进行建模，如图2与图3所示。
自抗扰航向控制器由TD(跟踪微分器)、ESO(扩张状态观测器)和NLSEF(非线性状态误差反馈)三个部件组成。
首先将给定航向信号v连接到TD输入端，安排过渡过程，实现对给定航向信号的快速无超调跟踪，并给出良好的微分信号。在明轮船实际航行时，给定航向信号常常会被风、浪、流引起的噪声污染，必须在噪声进入系统之前将其滤掉。二阶跟踪微分器TD利用最速控制综合函数fhan有效地对输入信号进行滤波，微分器的离散形式为
fhan函数中有两个参数r和h，可以根据过渡过程的要求和滤波性能独立整定。r决定跟踪速度，称为速度因子，r越大，过渡过程越短，但是r过大，噪声污染会影响跟踪微分器的输出品质；h对噪声起滤波作用，称为滤波因子，当积分步长确定时，增大滤波因子，可以增强滤波效果。TD参数经调试后取r＝10，h＝0.2，T＝0.01。
再将被控对象的输入信号以及观测到的实际航向信号连接到ESO，用来估计系统状态，得到被控对象的状态估计。ESO参数经调试后取δ＝0.05，β01＝100，β02＝65，β03＝75，b0＝1。
最后系统状态估计与跟踪到的给定航向及其微分信号比较后得到的误差信号连接到NLSEF信号输入端，经过合适的“非线性配置”，就实现了非线性状态误差反馈控制律，输出明轮船转向的控制信号。NLSEF参数经调试后取kp＝100，kd＝10，δ1＝1，α1＝0.75，α2＝1.25。
假设给定一个航向角为30°的阶跃信号，分别对PD航向控制系统和自抗扰航向控制系统加入一个幅值为4的正弦波干扰信号并且在输入端加入一个白噪声干扰信号进行仿真。取仿真时间为30秒，观测出的实际航向波形如图4所示。可以看出在有外界干扰的情况下，传统的PD控制稳定性变差，而自抗扰控制能够实现对航向较为稳定的跟踪，抗干扰能力较强；在输入信号被噪声污染时，传统的PD航向控制系统滤波效果较差，系统输出被噪声污染，而自抗扰控制系统滤波效果较好，系统输出波形较为平滑。
综上，本发明的一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法。该方法利用自抗扰技术设计了一种新型明轮船航向控制器，并将其运用于明轮船的航向控制。首先利用二阶跟踪微分器优化明轮船航向的过渡过程,跟踪输入信号和输入信号的微分信号；再由观测到的输出信号和被控对象的输入信号通过扩张状态观测器确定出明轮船航向系统的内部状态信息；将跟踪到的输入信号和观测到的输出信号之间的误差,以及跟踪到的输入信号的微分信号和观测到的输出信号的微分信号之间的误差,通过非线性状态误差反馈控制律计算得到一个非线性状态误差反馈控制量；最后将得到的非线性状态误差反馈控制量以及扩张状态观测器扩张出来的扰动估计值得出最终控制量，即航向调整量。明轮船航向自抗扰控制器克服了明轮船运动具有的大惯性、非线性等特点，使明轮船航向控制过程快速、平滑，可以实现高精度的明轮船航向保持控制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用二阶跟踪微分器优化水产养殖明轮船航向的过渡过程,跟踪输入信号和输入信号的微分信号；步骤二、由观测到的输出信号和被控对象的输入信号通过扩张状态观测器确定出明轮船航向系统的内部状态信息；步骤三、将由跟踪到的输入信号和观测到的输出信号之间的误差,以及跟踪到的输入信号的微分信号和观测到的输出信号的微分信号之间的误差,通过非线性状态误差反馈控制律计算得到一个非线性状态误差反馈控制量；步骤四、由得到的非线性状态误差反馈控制量以及扩张状态观测器扩张出来的扰动估计值得出最终控制量，即航向调整量；步骤五、由得到的航向调整量通过明轮船航向控制系统生成左右明轮的航向转速。
2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法，其特征在于：所述二阶跟踪微分器的离散算法为
fhan函数的算法公式为
式中fhan函数为最速控制综合函数，d、d0、y、a0、a为fhan函数内部变量，v为明轮船给定航向，v1对所述信号v进行快速无超调跟踪，同时v2跟踪所述信号v的微分信号，r、h为跟踪微分器需要设定的参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法，其特征在于：所述扩张状态观测器，其离散算法为
非线性函数fal的表达式为
式中z1为估计跟踪到的明轮船实际航向，z2为估计跟踪到的明轮船实际航向的变化率，z3为明轮船航向扰动估计值，e为估计跟踪到的实际航向与实际航向之间的误差β01，β02，β03，b0，α，δ为扩张状态观测器需要设定的参数。
4.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖明轮船航向控制方法，其特征在于：所述非线性状态误差反馈控制率中，非线性状态误差反馈控制量为
u＝kpfal(e0,α0,δ)+kIfal(e1,α1,δ)+kdfal(e2,α2,δ)
其中，e0＝v1-z1为跟踪过程与观测器之间的误差信号，为误差的积分信号，e2＝v2-z2为误差的微分信号；同时，在控制精度允许的情况下，为避免出现积分饱和，可考虑仅使用比例和微分环节，则二阶系统的误差反馈控制律为
u0(k)＝kpfal(e1(k),α1,δ1)+kdfal(e2(k),α2,δ1)
再由误差反馈控制量u0以及扩张状态观测器扩张出来的扰动估计值z3决定最终控制量u,非线性状态误差反馈控制率的离散算法为
式中v1为跟踪到的明轮船给定航向，v2为跟踪到的明轮船给定航向变化率，z1为估计跟踪到的明轮船实际航向，z2为估计跟踪到的明轮船实际航向变化率，z3为明轮船航向扰动估计值，e1为明轮船实际航向与估计跟踪到的实际航向的误差，e2为明轮船实际航向变化率与估计跟踪到的实际航向变化率的误差，u0为非线性状态误差反馈控制量，u为明轮船航向控制的最终控制量，kp，kd，δ1，α1，α2，b0为非线性状态误差反馈控制率需要设定的参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖船航向控制方法，其特征在于：kp＝100，kd＝10，δ1＝1，α1＝0.75，α2＝1.25。
6.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖船航向控制方法，其特征在于：步骤五中航向调整量通过明轮船航向控制系统后生成左右明轮转速差δn，左明轮航向转速δnl，右明轮航向转速δnr，其中，
7.根据权利要求6所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖船航向控制方法，其特征在于：若明轮船右转，δnl为正；若明轮船左转，δnl为负，左右明轮航向转速δnl和δnr各自送至左、右明轮转速控制器，明轮转速控制器根据处理结果调用PWM生成模块和GPIO输出模块生成对应的电压控制左、右明轮电动机的转速，推动明轮船按照预定方向航行。
8.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的水产养殖船航向控制方法，其特征在于：扩张状态观测器把养殖船航行时受到的水流、自然风等外部干扰都等效为系统发生的扰动，然后进行估计和补偿，将非线性的养殖船航向控制系统转化成线性系统，实现动态补偿线性化。
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