一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法技术

本发明专利技术公开了一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法，属于舰船运动控制领域；本发明专利技术首先定义系统输出约束函数；然后将航向系统的期望输出量y

A Model-free Adaptive Heading Control Method with Variable Output Constraints for Ships

【技术实现步骤摘要】
一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法
本专利技术涉及舰船运动控制领域，具体涉及一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法。
技术介绍
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。在文献“HeadingMFAcontrolforunmannedsurfacevehiclewithangularvelocityguidance”中，作者提出一种串级控制方法通过角速度制导的方式间接控制无人艇的航向。但控制器结构复杂，控制器参数多、参数整定困难。申请日2018年09月5日，申请号201811031878.6，专利技术名称“一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型控制方法”通过将比例控制与紧格式无模型自适应方法相结合实现对舰船航向控制的目的，但比例控制没有自适应性。申请日2018年02月2日，申请号201810106120.8，专利技术名称为“一种重定义输出式无模型自适应航向控制算法”，把舰船航向系统的输出重定义为舰船航向与角速度线性和的形式，从而使得舰船的航向系统满足无模型自适应理论对受控系统拟线性假设条件的要求。但该算法的控制性能对重定义系数敏感，鲁棒性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法。通过提出系统输出约束函数up(k)＝f(y*(k+1),y(k))，从而限制舰船航向系统在不同时刻的输出上下限。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案包括下列步骤：一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法，包括如下步骤：步骤一：定义系统输出约束函数up(k)＝f(y*(k+1),y(k))，该约束函数包括线性、非线性等形式本专利技术中取其中y(k)＝ψ(k)+Kr×r(k)为k时刻航向系统的实际输出，y*(k+1)＝ψ*(k+1)+Kr×r*(k+1)为k+1时刻航向系统的期望输出，ψ(k+1)，r(k+1)分别为k+1时刻舰船的实际航向和航向角速度，ψ*(k)，r*(k)分别为k时刻舰船的期望航向和期望航向角速度；步骤二：将航向系统的期望输出量y*(k)与实际输出量y(k)相减得到误差e(k)，当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e0，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四，否则执行步骤三；步骤三：变输出约束式无模型自适应控制方法根据e(k)解算出期望舵角um(k)；步骤四：操纵机构接收并执行航向系统输入指令u(k)，令k＝k+1，更新舰船航向ψ(k)，并转到步骤二。所述变输出约束式无模型自适应控制方法包括：y(k+1)＝ψ(k+1)+Kr×r(k+1)(4)uUP(k)＝min{umax,up}(6)uLP(k)＝max{umin,up}(7)um(k)＝um(k),ifuLP≤um(k)≤uUP(8)um(k)＝uLP(k),ifum(k)≤uLP(9)um(k)＝uUP(k),ifum(k)≥uUP(10)其中，η∈(0,1]，ρ∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重系数，φ(k)为伪偏导数，为伪偏导数估计值；umax和umin分别为不考虑变输出约束函数时舵机实际输出的上下限；uUP(k)和uLP(k)分别为引入变输出约束函数之后舵机可以实际输出的最大值和最小值；u(k)为不考虑输出约束函数，以及执行器饱和约束时控制器期望输出；up(k)为k时刻经过控制输出约束函数限制后得到的控制器最大输出；um(k)为考虑执行器饱和以及控制输出约束函数限制后的控制算法的最大输出。ψ(k+1)，r(k+1)分别为k+1时刻舰船的实际航向和航向角速度，Kr为重定义系数；e(k)为跟踪偏差；公式(1)-(4)构成输出重定义无模型自适应算法，公式(5)-(10)为控制器输出动态调节机制；公式(1)-(10)构成VOC-MFAC算法。本专利技术相对现有技术具有如下的优点和效果：本专利技术以的形式为例，通过变输出约束函数的引入，降低了输出重定义无模型自适应控制方法对重定义系数的敏感性，同时提高了系统的鲁棒性。附图说明图1是本专利技术的航向系统整体框图；图2是本专利技术的流程图。具体实施方式针对输出重定义无模型自适应算法应用于舰船航向控制时，系统的控制效果对输出重定义系数敏感以及控制系统鲁棒性较差的问题，本专利技术通过提出一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法解决了上述问题。下面结合附图对本专利技术做进一步描述。图1表述了本专利技术的航向系统模型，首先给出舰船的期望航向状态y*(k+1)，并将当前时刻舰船的实际航向状态y(k)作为VOC-MFAC控制器的负反馈输入，在线解算出航向系统的期望输入即期望舵角um(k)，舰船的操纵机构执行期望输入指令um(k)。更新舰船系统的实际航向和实际角速度，将更新后的y(k)重新作为VOC-MFAC控制器的负反馈输入。重复上述过程，直到舰船的实际航向收敛到期望航向。图2表述了本专利技术的系统流程图。具体实现步骤如下：(1)定义系统输出约束函数up(k)＝f(y*(k+1),y(k))，该约束函数包括线性、非线性等形式，在本专利技术中取其中y(k)＝ψ(k)+Kr×r(k)为k时刻航向系统的实际输出，y*(k+1)＝ψ*(k+1)+Kr×r*(k+1)为k+1时刻航向系统的期望输出，ψ(k+1)，r(k+1)分别为k+1时刻舰船的实际航向和航向角速度，ψ*(k)，r*(k)分别为k时刻舰船的期望航向和期望航向角速度(2)将航向系统的期望输出y*(k)与实际输出y(k)相减并取其绝对值得到误差e(k)，当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e0(e0为较小的正常量,本专利技术中以e0＝2为例进行说明)，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)。(3)变输出约束式无模型自适应控制(variableoutputconstraintsmodelfreeadaptivecontrol,VOC-MFAC)算法根据e(k)解算出期望舵角um(k)；VOC-MFAC算法：y(k+1)＝ψ(k+1)+Kr×r(k+1)(4)uUP(k)＝min{umax,up}(6)uLP(k)＝max{umin,up}(7)um(k)＝um(k),ifuLP≤um(k)≤uUP(8)um(k)＝uLP(k),ifum(k)≤uLP(9)um(k)＝uUP(k),ifum(k)≥uUP(10)其中，η∈(0,1]，ρ∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重系数，φ(k)为伪偏导数，为伪偏导数估计值；umax和umin分别为不考虑变输出约束函数时舵机实际输出的上下限；uUP(k)和uLP(k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：定义系统输出约束函数up(k)＝f(y*(k+1),y(k))，该约束函数包括线性、非线性等形式本专利技术中取

【技术特征摘要】
1.一种舰船用变输出约束式无模型自适应航向控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：定义系统输出约束函数up(k)＝f(y*(k+1),y(k))，该约束函数包括线性、非线性等形式本发明中取其中y(k)＝ψ(k)+Kr×r(k)为k时刻航向系统的实际输出，y*(k+1)＝ψ*(k+1)+Kr×r*(k+1)为k+1时刻航向系统的期望输出，ψ(k+1)，r(k+1)分别为k+1时刻舰船的实际航向和航向角速度，ψ*(k)，r*(k)分别为k时刻舰船的期望航向和期望航向角速度；步骤二：将航向系统的期望输出量y*(k)与实际输出量y(k)相减误差e(k)，当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e0，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四，否则执行步骤三；步骤三：变输出约束式无模型自适应控制方法根据e(k)解算出期望舵角um(k)；步骤四：操纵机构接收并执行航向系统输入指令u(k)，令k＝k+1，更新舰船航向ψ(k)，并转到步骤二。2.根据权利要求1所述的一种舰船用变输出约束式无...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖煜雷，姜权权，李晔，成昌盛，武皓微，潘恺文，张铁栋，王卓，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23