CN109144066A - 一种舰船用积分分离式pi型紧格式无模型自适应航向控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于舰船运动控制领域，具体涉及一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型自适应航向控制算法。包括在紧格式无模型自适应控制算法的基础上引入比例项构成PI型CFDL_MFAC算法,比例项的离散形式为k_p·Δe(k)；设定航向偏差阈值e₀；计算航向偏差e(k)，其中e(k)＝y^*(k)‑y(k)；当e(k)的绝对值|e(k)|大于设定的航向状态偏差的阈值e₁；积分分离式PI_CFDL_MFAC控制器根据e(k)，解算出航向系统的期望输入u(k)；令k＝k+1，更新航向舰船当前航向y(k)。本发明通过在控制算法中引入比例项，提高了系统的响应速度，同时在算法中引入积分分离的思想，避免了原控制算法直接应用到舰船航向控制中因积分饱合造成系统震荡甚至失稳的问题，比例项与积分分离思想的引入扩展了CFDL_MFAC理论的应用范围，从而使得舰船航向能够快速稳定收敛到期望航向。

Description

一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型自适应航向控制 算法

技术领域

本发明属于舰船运动控制领域，具体涉及一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型自适应航向控制算法。

背景技术

准确的控制舰船航向，才能使舰船安全有效的从而执行各种任务，如海图绘制，水文测量等。目前在工程应用中，舰船航向的控制，基本上采用的是PID控制算法，但舰船容易受到模型摄动，环境干扰力等影响，导致拥有一组固定参数的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2016年09月21日，公布号为CN105955206A，发明名称“一种基于数据驱动和参数混合优化的多轴运动控制方法”将多电机驱动系统解耦成一系列单关节电机驱动系统采用CFDL_MFAC算法实现对各关节电机电压的控制从而实现对由多电机驱动的多轴的运动状态的准确控制。公开日2017年02月01日，公布号为CN106369589A,发明名称为“一种过热蒸汽温度的控制方法”，该控制方法基于CFDL_MFAC算法采用由外环控制器和内环控制器构成的串级控制系统对锅炉过热蒸汽温度进行控制。

由于舰船航向系统的大时滞性，以及CFDL_MFAC算法属于增量式的积分结构，将上述改进CFDL_MFAC算法直接应用到舰船的航向控制中会产生积分饱合的现象，舰船航向必然产生严重超调，以及震荡现象甚至使系统失稳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使舰船航向能够稳定收敛到期望航向的舰船积分分离式PI型紧格式无模型自适应航向控制算法。

一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型自适应航向控制算法，具体包括如下步骤：

步骤1、在紧格式无模型自适应控制算法的基础上引入比例项构成PI型CFDL_MFAC算法,比例项的离散形式为k_p·Δe(k)，k_p为比例控制系数，T为控制节拍，k为控制周期的序号，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，e(k)、e(k-1)分别为第k，第k-1个控制周期的航向偏差；

步骤2、设定航向偏差阈值e₀，e₀为0-360°之间的一个常量，当|e(k)|＜e₀时，令步长因子ρ＝ε₀，权重因子λ＝N₀,其中0＜ε₀＜0.001，100＜N₀＜1000且均为常量；

步骤3、根据舰船期望航向y*(k)，与舰船当前航向y(k)，计算航向偏差e(k)，其中e(k)＝y^*(k)-y(k)；当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e₁，e₁为较小的正常量，本发明中取e₁＝2，则认为舰船的实际航向收敛到期望航向并跳出循环，否则执行步骤4；

步骤4、积分分离式PI_CFDL_MFAC控制器根据e(k)，解算出航向系统的期望输入u(k)。操纵机构接收并执行航向系统期望输入指令u(k)；

步骤5、令k＝k+1，更新航向舰船当前航向y(k)，并转到步骤3。

所述一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型自适应航向控制算法，步骤3中积分分离式PI_CFDL_MFAC航向控制算法如下：

f(|e(k)|＞e₀),then:ρ＝ε₀λ＝N₀

其中，η∈(0,1]，λ∈(0,1]为步长因子，μ＞0，ρ＞0为权重系数，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，e(k)、e(k-1)分别为第k，第k-1个控制周期的航向偏差，u(k)为第k个控制周期积分分离式PI_CFDL_MFAC控制器输出0＜ε₀＜0.001，100＜N₀＜1000且均为常量，φ(k)为伪偏导数，为伪偏导数估计值。当|Δu(k-1)|≤ε或或令

本发明的有益效果在于：

本发明通过在控制算法中引入比例项，不仅可以提高系统的响应速度，从而降低调节耗时，同时在算法中引入积分分离的思想，避免了原控制算法直接应用到舰船航向控制中因积分饱合造成系统震荡甚至失稳的问题，比例项与积分分离思想的引入扩展了CFDL_MFAC理论的应用范围，从而使得舰船航向能够快速稳定收敛到期望航向。

附图说明

图1是本发明的航向系统整体框图；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

图1为本发明的航向系统模型，首先给出期望航向y(k)^*的命令，根据当前时刻舰船实际航向计算航向偏差e(k)并作为积分分离式PI_CFDL_MFAC控制器的负反馈输入，积分分离式PI_CFDL_MFAC控制器解算出舰船航向系统当前期望输入量u(k)。操纵机构执行期望输入指令，更新舰船系统的实际航向，令k＝k+1更新航向偏差e(k)再次进入负反馈回路中，从而使得舰船的实际航向收敛到期望航向。

图2为本发明的系统流程图，具体实现步骤如下：

步骤1、在紧格式无模型自适应控制(model free adaptive control,CFDL_MFAC)算法的基础上引入比例项构成PI型CFDL_MFAC(简称PI_CFDL_MFAC)算法,比例项的离散形式为k_p·Δe(k)，k_p为比例控制系数，T为控制节拍，k为控制周期的序号，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，e(k)、e(k-1)分别为第k，第k-1个控制周期的航向偏差；

步骤2、设定航向偏差阈值e₀(e₀为0-360°之间的一个常量)当|e(k)|＜e₀时，令步长因子ρ＝ε₀，权重因子λ＝N₀,其中0＜ε₀＜0.001，100＜N₀＜1000且均为常量；

步骤3、根据舰船期望航向y*(k)，与舰船当前航向y(k)，计算航向偏差e(k)其中e(k)＝y^*(k)-y(k)。当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e₁(e₁为较小的正常量，本发明中取e₁＝2)，则认为舰船的实际航向收敛到期望航向并跳出循环否则执行(4)F_PD_MFAC控制器根据e(k)，ec(k)动态调整控制参数并解算出航向系统的期望输入u(k)；

步骤4、积分分离式PI_CFDL_MFAC控制器根据e(k)，解算出航向系统的期望输入u(k)。操纵机构接收并执行航向系统期望输入指令u(k)；

步骤5、令k＝k+1，更新航向舰船当前航向y(k)，并转到步骤3。

Claims (2)

1.一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型自适应航向控制算法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、在紧格式无模型自适应控制算法的基础上引入比例项构成PI型CFDL_MFAC算法,比例项的离散形式为k_p·Δe(k)，k_p为比例控制系数，T为控制节拍，k为控制周期的序号，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，e(k)、e(k-1)分别为第k，第k-1个控制周期的航向偏差；

步骤2、设定航向偏差阈值e₀，e₀为0-360°之间的一个常量，当|e(k)|＜e₀时，令步长因子ρ＝ε₀，权重因子λ＝N₀,其中0＜ε₀＜0.001，100＜N₀＜1000且均为常量；

步骤3、根据舰船期望航向y*(k)，与舰船当前航向y(k)，计算航向偏差e(k)，其中e(k)＝y*(k)-y(k)；当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e₁，则认为舰船的实际航向收敛到期望航向并跳出循环，否则执行步骤4；

步骤4、积分分离式PI_CFDL_MFAC控制器根据e(k)，解算出航向系统的期望输入u(k)。操纵机构接收并执行航向系统期望输入指令u(k)；

步骤5、令k＝k+1，更新航向舰船当前航向y(k)，并转到步骤3。

2.根据权利要求1所述一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型自适应航向控制算法，其特征在于，步骤3中所述积分分离式PI_CFDL_MFAC航向控制算法如下：

f(|e(k)|＞e₀),then:ρ＝ε₀λ＝N₀

其中，η∈(0,1]，λ∈(0,1]为步长因子，μ＞0，ρ＞0为权重系数，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，e(k)、e(k-1)分别为第k，第k-1个控制周期的航向偏差，u(k)为第k个控制周期积分分离式PI_CFDL_MFAC控制器输出0＜ε0＜0.001，100＜N₀＜1000且均为常量，φ(k)为伪偏导数，为伪偏导数估计值。当|Δu(k-1)|≤ε或或令