CN112650254A

CN112650254A - 一种无人船航向控制器及存储介质

Info

Publication number: CN112650254A
Application number: CN202011563889.6A
Authority: CN
Inventors: 李宝安
Original assignee: Hefei Innovation Research Institute of Beihang University
Current assignee: Hefei Innovation Research Institute of Beihang University
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-04-13

Abstract

本发明的一种无人船航向控制器及存储介质，本发明基于船体的船体航向模型即航向操纵模型，满足二阶野本模型的形式，即一个惯性环节与积分环节的乘积，根据试验可以得到对应参数，建立船体航向模型。同时整个航向控制还包括舵角控制环节，舵角控制按照最佳二阶系统设计后，在满足一定响应速度的条件下，传递函数可以近似为一个常数。本发明给出了建立船体航向模型的方式，便于给出航向控制器的设计，从而对整个航向控制进行分析；给出了一种新的航向控制器设计方式，这种方式不是主要凭借实际工程经验试凑，而是以相关经典控制理论为基础，根据不同状态下的船体航向模型，迅速而准确地给出航向控制器的设计，航向控制器在不同航向下自适应，从而提高航向控制的性能。

Description

一种无人船航向控制器及存储介质

技术领域

本发明涉及无人船航向控制技术领域，具体涉及一种无人船航向控制器及存储介质。

背景技术

无人船的系统是复杂系统，包含多种功能模块，航行控制是最重要的功能之一。航向控制是无人船的航行控制的重要组成部分。实际工程中，首先根据试验来确定船体航向模型，进而按照一定的标准设计对应的航向控制器，从而保证无人船航向控制的性能达到期望指标，使得无人船的航向控制在实际航行中保持快速精准的控制效果。

根据经典控制理论，无人船的航向控制性能评价主要为：

1)快速性。根据实际工程要求，航向控制要快速，控制时间不能过长；

2)稳定性。航向控制允许产生一定的超调量，但是不能过大，最终要收敛于定值，不能有幅值较大的持续性震荡；

3)稳态误差。航向控制最终要稳定收敛于目标航向值附近，误差不能过大。

目前存在的技术问题有：

1)无人船航向模型建立的相关问题。需要根据试验建立航向操纵模型；

2)无人船的航向控制器相关问题。海上风浪流等干扰对航向的影响最为明显，不同干扰条件下船体模型相关的参数会改变，航向控制器的参数也要随之变化，需要给出不同航向情况下的控制参数。基于上述性能评价，航向控制器多采用PID控制设计。PID控制是一种非常成熟的控制方式，在实际工程中应用广泛。然而随着船体参数的变化，试验者需要不断地调整PID控制的参数，再于实际中进行测试验证，这个结果常常是基于实际调试经验所得，并且调参和验证过程较为繁琐。

发明内容

本发明提出的一种无人船航向控制器及存储介质，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种无人船航向控制器，包括构建船体航向模型，所述船体航向模型满足二阶野本模型，它的传递函数是一个惯性环节与积分环节的乘积，即

其中K_ψ为航向模型的输出(目标舵角值)与输入(目标航向与实际航向值之差)之比，T_ψ为系统的惯性时间常数，也就是表征无人船航向模型响应时间的参数。

为了保证系统的稳定性与一定的稳态精度，实际工程中常常按照典型I型系统设计。要使得整个航向控制的开环传递函数满足典型I型系统，航向控制器环节传递函数应设定为：

其中K′_ψ为航向控制器的输出即当前航向角与输入即当前舵角值之比，τ为无人船航向控制器的设计环节之一，按照设定的设计标准取值，T为系统的惯性时间常数，也就是表征无人船航向控制器响应时间的参数。

船体航向控制的开环传递函数满足如下：

其中τ＝T，K＝K_ψK′_ψ。船体整个航向控制的开环传递函数满足典型I型系统的形式。

进一步的，取KT＝0.5，此时多项指标比较折中，在许多场合不失为一种较好的参数选择，这个参数下的典型I型系统，也就是最佳二阶系统。按照最佳二阶系统设计船体航向控制器。所示船体航向模型参数值为：K_ψ＝1，T_ψ＝1，则τ＝T_ψ＝1；因此航向控制器的参数取K′_ψ＝2.5，T＝0.2，则K＝2.5。

另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述模型的步骤。

由上述技术方案可知，本发明基于的船体的船体航向模型即航向操纵模型，满足二阶野本模型的形式，即一个惯性环节与积分环节的乘积，根据试验可以得到对应参数，建立船体航向模型。同时航向控制还包括舵角控制环节，舵角控制按照最佳二阶系统设计后，在满足一定响应速度的条件下，传递函数可以近似为一个常数。

所述船体航向控制器要根据简化后得到的船体航向模型来设计。实际工程中的控制系统多为典型I型系统，航向控制器按照典型I型系统中的最佳二阶系统设计，以此选择组成环节与参数值。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

1)给出了建立船体航向模型的方式，便于给出航向控制器的设计，从而对整个航向控制进行分析。

2)给出了一种新的航向控制器设计方式，这种方式不是主要凭借实际工程经验试凑，而是以相关经典控制理论为基础，根据不同状态下的船体航向模型，迅速而准确地给出航向控制器的设计，航向控制器在不同航向下自适应，从而提高航向控制的性能。

附图说明

图1为无人船航向控制原理图；

图2为典型I型系统；其中图2a是结构图，图2b开环幅频特性图；

图3为航向控制器环节框图；

图4为简化后航向控制的控制结构框图；

图5为阶跃响应对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的无人船航向控制器，以下具体说明：

本实施例的设计路线如下：

(1)航向控制器的控制目标及预期指标

航向控制器的控制目标为，实现航向的快速精准控制。最终要实现在不同模式下控制，航向控制器在不同航向下自适应，最终满足航向控制的指标要求。

最终航向控制的指标为：

1)航向控制延迟时间在1s之内；

2)航向控制精度在1％内。

(2)航向控制结构与原理

无人船航向控制的原理图如图1所示。目标航向角与当前时刻航向角的差值输入至航向控制器，输出当前时刻的目标舵角值，再输入至舵角控制环节，得到当前时刻艇体的舵角值，最终使艇体改变航向角，当前时刻的航向角由IMU采集，以负反馈控制方式直到达到目标航向角。其中舵角控制按照最佳二阶系统设计后，在满足一定响应速度的条件下，传递函数可以近似为一个常数。

(3)航向控制器设计

1)船体航向模型分析

航向操纵模型满足二阶野本模型，它的传递函数是一个惯性环节与积分环节的乘积，即

2)航向控制器传递函数设计

实际工程的控制系统为了保证系统的快速性、稳定性和一定的稳态精度，经常使用典型I型系统。

典型I型系统的开环传递函数为

典型I型系统的结构图如图2(a)所示，开环幅频特性曲线如图2(b)所示。典型I型系统是一种二阶系统，特点之一是结构简单，K>0时系统一定稳定；二是其开环对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，只要有足够的中频带宽，系统就有足够的稳定裕量。

为此设计要求为

(或ω_cT<1)，arctanω_cT<45°

因此相角稳定裕量为：γ＝180°-90°-arctanω_cT＝90°-arctanω_cT>45°。

当KT＝0.5时，该系统的多项指标都比较折中，在许多情况下不失为一种好的参数选择方式。这个参数下的典型I型系统，就是“最佳二阶系统”。

要使得系统的开环传递函数达到典型I型系统，进而成为最佳二阶系统，航向控制器环节传递函数应设定为

航向控制器环节的框图如图3所示。其中K_ψ′为航向控制器的输出(当前航向角)与输入(当前舵角值)之比，τ为无人船航向控制器的设计环节之一，需要按照一定的设计标准取值，T为系统的惯性时间常数，也就是表征无人船航向控制器响应时间的参数。

船体模型简化之后整个航向控制的控制结构框图如图4所示。开环传递函数满足

其中K＝K_ψK′_ψ。此时该系统的开环传递函数便满足典型I型系统传递函数形式。该系统为二阶系统，二阶系统的传递函数表达式为

取KT＝0.5，该系统的闭环函数便满足最佳二阶系统。

根据典型艇体模型实际情况，经过实验测试得到的化简后的图4所示的艇体航向模型参数值为：K_ψ＝1，T_ψ＝1，则τ＝T_ψ＝1。因此航向控制器的参数取K′_ψ＝2.5，T＝0.2，则K＝2.5，此时KT＝0.5，系统的开环传递函数符合典型I型系统。

简化后系统的艇体航向模型传递函数为

相应的闭环传递函数为

简化后该系统的航向控制器环节传递函数为

最终得到该系统的开环传递函数为

符合典型I型系统形式。相应的闭环传递函数为

给定目标航向为5m/s，对比两种情况下的阶跃响应曲线，结果如图5所示。

未加入控制环节时，系统的阻尼比ξ＝0.5，上升时间t_r＝2.42s，调节时间t_s＝6.00s，截止频率ω_c＝1s^-1，超调量σ＝16.30％，相角稳定裕度γ＝51.8°，无稳态误差。加入控制环节后，系统的阻尼比ξ＝0.707，上升时间t_r＝0.94s，调节时间t_s＝1.40s，截止频率ω_c＝2.5s^-1，超调量σ＝4.33％，相角稳定裕度γ＝65.5°，无稳态误差。

由图像与性能参数对比可以看出，加入航向控制器后形成的典型I型的系统，在满足最佳二阶系统指标的条件下，给定同样的目标航向值，在控制的稳定性、快速性方面整体均比未加入航向控制器的惯性环节系统性能要好。最佳二阶系统满足了控制的稳定性、快速性、稳态误差等要求，达到了预期的控制效果。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种无人船航向控制器，其特征在于：包括构建船体航向模型，所述船体航向模型满足二阶野本模型，它的传递函数是一个惯性环节与积分环节的乘积，即

其中K_ψ为航向模型的输出即目标舵角值与输入即目标航向与实际航向值之差的之比，T_ψ为系统的惯性时间常数，也就是表征无人船航向模型响应时间的参数。

使得整个航向控制的开环传递函数满足典型I型系统，航向控制器环节传递函数设定为：

2.根据权利要求1所述的无人船航向控制器，其特征在于：所述船体航向控制的开环传递函数满足如下：

其中τ＝T，K＝K_ψK′_ψ，船体整个航向控制的开环传递函数满足典型I型系统的形式。

3.根据权利要求2所述的无人船航向控制器，其特征在于：

所示船体航向模型参数值为：取KT＝0.5，即按照最佳二阶系统设计船体航向控制器，所示船体航向模型参数值为：K_ψ＝1，T_ψ＝1，则τ＝T_ψ＝1；因此航向控制器的参数取K′_ψ＝2.5，T＝0.2，则K＝2.5。

4.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至3中任一项所述模型的步骤。