CN113232783B - 一种无人船速度控制方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明的一种无人船速度控制方法及存储介质，涉及船体速度模型包括饱和环节、电机执行机构、发动机、船体模型。其中饱和环节属于典型的非线性环节，在限位值之内输入与输出的比值是常数，电机执行机构的输入与输出的比值可以近似为常数，发动机与船体模型的传递函数均为一个惯性环节与延迟环节的乘积，通过简化，最终得到的速度模型是一个标准的惯性环节。本发明给出了建立船体速度模型的方式，将复杂的船体速度模型简化为惯性环节，便于给出速度控制器的设计，从而对整个速度控制进行分析。本发明以经典控制理论为基础，根据不同状态下的船体速度模型，迅速而准确地给出速度控制器的设计，速度控制器在不同速度下自适应，从而提高速度控制的性能。

Description

一种无人船速度控制方法及存储介质

技术领域

本发明涉及无人船的控制技术领域，具体涉及一种无人船速度控制方法及存储介质。

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。速度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速度模型的各个环节以及每一个环节的传递函数，由此可确定船体速度模型的传递函数，进而按照一定的标准设计对应的速度控制器，从而保证无人船速度控制的性能达到期望指标，使得无人船的速度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，无人船的速度控制性能评价主要为：

1)快速性。根据实际工程要求，速度控制要快速，控制时间不能过长；

2)稳定性。速度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。速度控制最终要稳定收敛于目标速度值附近，误差不能过大。

目前存在的技术问题有：

1)无人船速度模型建立的相关问题。无人船的速度模型环节多，并且部分环节的输入与输出存在非线性关系。船体速度模型包括饱和环节、电机执行机构、发动机、船体模型。其中饱和环节属于典型的非线性环节，电机执行机构存在一定间隙，发动机与船体模型的输入输出关系是非线性的，同时存在不可忽略的滞后环节；

2)无人船的速度控制器相关问题。不同速度下，船体受到的阻力不同，船体模型相关的参数会改变，速度控制器的参数也要随之变化，需要给出不同速度情况下的控制参数。基于上述性能评价，速度控制器多采用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速度控制方法及存储介质，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：

一种无人船速度控制方法，包括：通过目标速度值与经过速度传感器得到的当前速度值比较，差值输入至事先设定的速度控制器环节，输出发送的控制指令，以电压信号形式加入饱和环节后将其输入至电机执行机构执行，执行机构拉动发动机油门，使发动机转速随之变化，船体推进器推动或螺旋桨转动，从而使船体速度变化，以负反馈控制方式最终到达目标速度值。

进一步的，所述事先设定的船体速度模型环节包括：

A.饱和环节模型：

在该环节中，输入为电压值，输出为加入饱和环节后的电压值，相当于设定了电压范围，表达式如下：

其中U₀为正向最大电压值；

B.电机执行机构模型：

执行机构的输入为加入饱和环节后的电压值，输出为油门当前位置，而执行机构中通常采用电机等执行环节与油门采用软轴等传动轴机械连接，因此执行机构传递函数可以看作为一个常数，即

K_a可根据实际船体设备测试获取，驱动器与电机根据实际船体需求选择，无刷步进电机即可实现，步进电机与发动机的油门拉线通过软轴机械连接；

C.发动机模型：

该环节的输入为油门当前位置，输出为当前转速值，两者的关系是非线性的，发动机环节的传递函数近似为一个带有迟滞的惯性环节；发动机环节的传递函数，即油门当前位置与当前转速的函数关系为：

D.船体模型：

该环节的输入为发动机当前转速，输出为船体当前速度，发动机工作对船体产生的推力与船体速度的关系并不是一次函数关系，即输入与输出的关系是非线性的，则船体模型环节传递函数近似为一个带有迟滞的惯性环节，即转速与船体实际速度函数关系为

进一步的，其中，发动机模型中通过实验测量油门位置与其对应的实际转速值，得出函数关系中的参数值，测试步骤如下：

a1.确定油门位置范围与转速范围；

b1.分别记录电机的起点与终点位置及其对应的转速值；

c1.实验中将转速等分，比如每一等分为100r/min，变化油门至对应转速值，再记录电机对应的位置，如实际船体需要，可在特定转速值范围继续细分；

d1.将得到的数据做成表格，得到函数关系中的参数值K₁，T₁。

进一步的，所述船体模型中参数确定步骤如下：

a2.确定转速范围与对应的速度大小范围；

b2.分别记录转速的最小值与最大值，并记录此时对应的船体速度值；

c2.将转速等分，比如每一等分为100r/min，变化油门至对应转速值，根据速度传感器等设备记录船体到达的对应速度值与时间；

d2.对得到的数据进行分析处理，最终得到不同速度下函数关系中的K₂，T₂的一组参数值。

进一步的，所述事先设定的船体速度模型环节包括：

首先将迟滞环节近似成为一阶惯性环节，设迟滞环节为e^-τs，截止频率为ω_c，简化后有：

公式成立的条件为

简化后得到高频段小惯性环节群，近似地处理成：

其中K'＝K_aK₁K₂，为速度模型的输出即当前速度值与输入即电压控制量之比；T_Σ＝T₁+T₂+τ₁+τ₂，为表征该惯性环节响应的唯一参数，也就是表征无人船速度响应的唯一参数。

进一步的，所述事先设定的速度控制器环节包括速度控制器环节传递函数设定为

其中K_v为速度控制器的输出即电压控制量与输入即目标速度与当前速度差值之比，τ为无人船速度控制器的设计环节之一，需要按照设定的设计标准取值，T为系统的惯性时间常数，也就是表征无人船速度控制器响应时间的参数。

进一步的，所述事先设定的速度控制器环节包括船体速度模型如下：

取τ＝T_Σ，则

其中K＝K_vK'；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。

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方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明的无人船速度控制方法，所述船体速度模型包括饱和环节、电机执行机构、发动机、船体模型。其中饱和环节属于典型的非线性环节，在限位值之内输入与输出的比值是常数，电机执行机构的输入与输出的比值可以近似为常数，发动机与船体模型的传递函数均为一个惯性环节与延迟环节的乘积。通过简化，最终得到的速度模型是一个标准的惯性环节。

所述船体速度控制器要根据简化后得到的速度控制器来设计。实际工程中的控制系统多为典型I型系统，速度控制器按照典型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)给出了建立船体速度模型的方式，将复杂的船体速度模型简化为惯性环节，便于给出速度控制器的设计，从而对整个速度控制进行分析。

2)给出了一种新的速度控制器设计方式，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速度模型，迅速而准确地给出速度控制器的设计，速度控制器在不同速度下自适应，从而提高速度控制的性能。

附图说明

图1为无人船速度控制原理图；

图2为饱和环节的结构框图；

图3为速度控制的电机执行机构框图；

图4为速度控制的发动机环节的框图；

图5为速度控制的船体模型框图；

图6为船体速度模型分解后的速度控制结构框图；

图7为化简后的船体模型结构框图；

图8为船体速度模型分解后的速度控制结构框图；

图9为典型I型系统；

图10为速度控制器环节框图；

图11为简化后速度控制的控制结构框图；

图12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速度控制方法，以下具体说明：

(1)速度控制器的控制目标及预期指标

速度控制器的控制目标为，实现速度的快速精准控制。最终要实现在不同模式下控制，速度控制器在不同速度下自适应，最终满足速度控制的指标要求。

最终速度控制的指标为：

1)速度控制延迟时间在1s之内；

2)速度控制精度在1％内。

(2)速度控制结构与原理

无人船速度控制的原理图如图1所示。速度控制环节的功能是控制无人船的航行速度。目标速度值与经过速度传感器得到的当前速度值比较，差值输入至速度控制器环节，输出发送的控制指令，以电压信号形式加入饱和环节后将其输入至电机执行机构执行，执行机构拉动发动机油门，使发动机转速随之变化，船体推进器推动或螺旋桨转动，从而使船体速度变化，以负反馈控制方式最终到达目标速度值。

(3)速度控制器设计

1)船体速度模型分析

无人船的速度控制器的设计要建立在已知速度模型的基础上，因此在设计无人船的速度控制器之前，首先分析无人船的速度模型。前文已经提到，无人船的速度模型的核心包括饱和环节、电机执行机构、发动机、船体模型，这些环节均包含一定的非线性成分。实际运行中，速度控制器接收目标值的过程和执行机构向油门运动传动的过程中，各个环节的函数关系可以看成是线性的，这些函数关系非常容易得出；而船体速度模型中饱和环节的输入电压与输出电压、发动机环节、船体模型环节中的转速值与船体速度值之间存在非线性的函数关系。

A.饱和环节模型：

饱和环节的结构框图如图2所示。饱和环节是一个典型的非线性环节。由于油门通过电机执行机构拉动，因此将速度控制量转换成电压信号的形式，再发送至电机执行环节。在该环节中，输入为电压值，输出为加入饱和环节后的电压值，相当于设定了电压范围。表达式如下：

其中U₀为正向最大电压值。这里依据实际行程利用硬件或软件限位即可实现。

B.电机执行机构模型：

速度控制的电机执行机构框图如图3所示。由于执行机构的输入为加入饱和环节后的电压值，输出为油门当前位置，而执行机构中通常采用电机等执行环节与油门采用软轴等传动轴机械连接，因此执行机构传递函数可以看作为一个常数，即

K_a可根据实际船体设备测试获取。驱动器与电机根据实际船体需求选择，一般无刷步进电机即可实现，步进电机与发动机的油门拉线通过软轴机械连接。

C.发动机模型：

速度控制的发动机环节的框图如图4所示。该环节的输入为油门当前位置，输出为当前转速值，两者的关系是非线性的，发动机环节的传递函数可以近似为一个带有迟滞的惯性环节。发动机环节的传递函数，即油门当前位置与当前转速的函数关系为

可以实验测量油门位置与其对应的实际转速值，得出函数关系中的参数值。测试步骤如下：

a.确定油门位置范围与转速范围；

b.分别记录电机的起点与终点位置及其对应的转速值；

c.出于安全性与便捷性的考虑，实验中将转速等分，比如每一等分为100 r/min，变化油门至对应转速值，再记录电机对应的位置。如实际船体需要，可在特定转速值范围继续细分；

d.将得到的数据做成表格，得到函数关系中的参数值K₁，T₁。

在实际船体环境下，转速信号可能会受到干扰，此时可先将转速信号接入整型模块，将原转速信号整型后再接入到频率采集模块中，最终可以得到准确的转速值。

D.船体模型：

速度控制的船体速度模型框图如图5所示。该环节的输入为发动机当前转速，输出为船体当前速度，发动机工作对船体产生的推力与船体速度的关系并不是一次函数关系，即输入与输出的关系是非线性的。船体模型环节传递函数可以近似为一个带有迟滞的惯性环节，即转速与船体实际速度函数关系为

随着船体速度的变化，船体模型的参数也在变化，一般来说，船体速度越高，K₂越小，T₂越大。需要根据实际实验来确定参数。测试步骤如下：

a.确定转速范围与对应的速度大小范围；

b.分别记录转速的最小值与最大值，并记录此时对应的船体速度值；

c.将转速等分，比如每一等分为100r/min，变化油门至对应转速值，根据速度传感器等设备记录船体到达的对应速度值与时间。如实际船体需要，可在特定转速值范围继续细分；

d.对得到的数据进行分析处理，最终得到不同速度下函数关系中的K₂，T₂的一组参数值。

将船体速度模型分解成各个环节后整个系统的结构框图如图6所示。

2)船体速度模型简化

为了便于对整个速度控制系统进行分析计算，可以将船体速度模型进行简化。

首先可将迟滞环节近似成为一阶惯性环节。设迟滞环节为e^-τs，截止频率为ω_c，简化后有

公式成立的条件为

简化后得到高频段小惯性环节群，可近似地处理成

其中K'＝K_aK₁K₂，为速度模型的输出(当前速度值)与输入(电压控制量) 之比；T_Σ＝T₁+T₂+τ₁+τ₂，为表征该惯性环节响应的唯一参数，也就是表征无人船速度响应的唯一参数。

当对两个惯性环节进行近似时，公式成立的条件为

不断化简，验证成立条件，得到最终的化简式。

化简后的船体模型结构框图如图7所示。

由此得到船体模型化简后的速度控制结构框图，如图8所示。

3)速度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9(a)所示，开环幅频特性曲线如图9(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

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，图10中速度控制器环节传递函数应设定为

其中K_v为速度控制器的输出(电压控制量)与输入(目标速度与当前速度差值)之比，τ为无人船速度控制方法的设计环节之一，需要按照一定的设计标准取值，T为系统的惯性时间常数，也就是表征无人船速度控制方法响应时间的参数。

速度控制器环节的框图如图10所示。

船体模型简化之后整个速度控制的控制结构框图如图11所示。

取τ＝T_Σ，则

其中K＝K_vK'。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。

4)仿真模拟

设经过实验测试得到的化简后的图11所示的艇体速度模型参数值为： K'＝1，T_Σ＝1，则τ＝T_Σ＝1。因此速度控制器的参数取K_v＝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。

简化后系统的艇体速度模型传递函数为

相应的闭环传递函数为

简化后该系统的速度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

给定目标速度为5m/s，对比两种情况下的阶跃响应曲线，结果如图12 所示。

未加入控制环节时，系统的稳定时间为t_s＝1.50s，无稳态误差。加入控制环节后，系统的阻尼比ξ＝0.707，截止频率ω_c＝2.5s^-1，超调量σ＝4.33％，相角稳定裕度γ＝65.5°，上升时间t_r＝0.94s，调节时间t_s＝1.40s，无稳态误差。

由图像与性能参数对比可以看出，加入速度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，给定同样的目标速度值，在控制的稳定性、快速性方面整体均比未加入速度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。

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。

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 (7)

1.一种无人船速度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

通过目标速度值与经过速度传感器得到的当前速度值比较，差值输入至事先设定的速度模型环节，输出发送的控制指令，以电压信号形式加入饱和环节后将其输入至电机执行机构执行，执行机构拉动发动机油门，使发动机转速随之变化，船体推进器推动或螺旋桨转动，从而使船体速度变化，以负反馈控制方式最终到达目标速度值；

所述事先设定的速度模型环节包括：

A.饱和环节模型：

在该环节中，输入为电压值，输出为加入饱和环节后的电压值，相当于设定了电压范围，表达式如下：

其中U₀为正向最大电压值；

B.电机执行机构模型：

执行机构的输入为加入饱和环节后的电压值，输出为油门当前位置，而执行机构中通常采用电机等执行环节与油门采用软轴等传动轴机械连接，因此执行机构传递函数可以看作为一个常数，即

K_a可根据实际船体设备测试获取，驱动器与电机根据实际船体需求选择，无刷步进电机即可实现，步进电机与发动机的油门拉线通过软轴机械连接；

C.发动机模型：

该环节的输入为油门当前位置，输出为当前转速值，两者的关系是非线性的，发动机环节的传递函数近似为一个带有迟滞的惯性环节；发动机环节的传递函数，即油门当前位置与当前转速的函数关系为：

D.船体模型：

该环节的输入为发动机当前转速，输出为船体当前速度，发动机工作对船体产生的推力与船体速度的关系并不是一次函数关系，即输入与输出的关系是非线性的，则船体模型环节传递函数近似为一个带有迟滞的惯性环节，即转速与船体实际速度函数关系为

2.根据权利要求1所述的无人船速度控制方法，其特征在于：其中，发动机模型中通过实验测量油门位置与其对应的实际转速值，得出函数关系中的参数值，测试步骤如下：

a1.确定油门位置范围与转速范围；

b1.分别记录电机的起点与终点位置及其对应的转速值；

c1.实验中将转速等分，比如每一等分为100r/min，变化油门至对应转速值，再记录电机对应的位置，如实际船体需要，可在特定转速值范围继续细分；

d1.将得到的数据做成表格，得到函数关系中的参数值K₁，T₁。

3.根据权利要求1所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述船体模型中参数确定步骤如下：

a2.确定转速范围与对应的速度大小范围；

b2.分别记录转速的最小值与最大值，并记录此时对应的船体速度值；

c2.将转速等分，比如每一等分为100r/min，变化油门至对应转速值，根据速度传感器等设备记录船体到达的对应速度值与时间；

d2.对得到的数据进行分析处理，最终得到不同速度下函数关系中的K₂，T₂的一组参数值。

4.根据权利要求1所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述事先设定的速度模型环节包括：

首先将迟滞环节近似成为一阶惯性环节，设迟滞环节为e^-τs，截止频率为ω_c，简化后有：

公式成立的条件为

简化后得到高频段小惯性环节群，近似地处理成：

其中K'＝K_aK₁K₂，为速度模型的输出即当前速度值与输入即电压控制量之比；T_Σ＝T₁+T₂+τ₁+τ₂，为表征该惯性环节响应的唯一参数，也就是表征无人船速度响应的唯一参数。

5.根据权利要求1所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述事先设定的速度控制器环节包括速度控制器环节传递函数设定为

其中K_v为速度控制器的输出即电压控制量与输入即目标速度与当前速度差值之比，τ为无人船速度控制器的设计环节之一，需要按照设定的设计标准取值，T为系统的惯性时间常数，也就是表征无人船速度控制器响应时间的参数。

6.根据权利要求5所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述事先设定的速度模型环节的整个速度控制的开环传递函数如下：

取τ＝T_Σ，则

其中K＝K_vK'；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。

7.一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6中任一项所述方法的步骤。

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