[发明专利]水中航行器用遗忘因子式无模型自适应航向控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种水中航行器运动控制方法，具体地说是一种无模型自适应航向控制方法。

背景技术

水中航行器的运动控制是水中航行器自动化的核心，其中水中航行器的航向控制又在其运动控制中占据至关重要的地位，水中航行器的航向控制直接关系到水中航行器航行的安全性，操纵性和经济性。目前在工程应用中，水中航行器的航向控制基本采用PID控制算法，以及基于“模型导向”策略开发的控制算法。PID是一种基于离线数据的数据驱动控制算法，但无人艇容易受到模型摄动，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”的专利文件中公开的控制方法，基于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。公开日2016年01月06日、公布号CN105227017A、发明名称“为一种针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的方法及系统”的专利文件中，系统的速度外环由MFAC控制器构成，用来生成期望的交轴参考电流，内环电流调节仍由PI控制器实现，以此实现对船舶吊舱SSP推进电机的控制。

但上述MFAC控制算法不适用于水中航行器航向系统的控制，因为MFAC是一种增量式的控制算法，即下一时刻控制器期望输出，是在上一时刻控制器期望输出基础上累加得到，导致当水中航行器的实际航向趋于期望航向时，航向系统的期望输入并不能迅速减小以避免超调，同时水中航行器的航向系统具有大时滞特性，在期望输入下，航向系统的实际输出存在严重的时间上的滞后，导致航向系统的实际输入不断偏离期望输入，进一步加剧了超调及震荡。因此，将MFAC算法直接用于水中航行器的航向控制时，必然导致水中航行器航向系统产生严重的超调和震荡现象，航向系统的收敛速度变慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够避免航向出现大的超调或震荡现象的水中航行器用遗忘因子式无模型自适应航向控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：向水中航行器下达期望航向状态指令y*(k)；

步骤二：水中航行器通过罗经测得当前水中航行器的实际航向状态y(k)，计算误差的绝对值e(k)，若e(k)小于一个期望常数e₀、且稳定一段时间，则认为实际水中航行器实际航向稳定收敛到期望航向并结束循环，否则进入步骤三；

步骤三：将e(k)作为遗忘因子式MFAC航向控制器的输入，解算出期望输入u(k)；所述遗忘因子式MFAC航向控制器是在MFAC航向控制器的基础上，引入遗忘因子β，用β×u(k-1)代替MFAC航向控制器中的u(k-1)；

步骤四：将期望输入指令下达到执行机构，执行机构执行期望输入指令，同时在外界环境干扰共同作用下，水中航行器不断调整航向，并转到步骤二，直到水中航行器航向稳定收敛到期望航向。

1、所述期望航向状态指令包括水中航行器期望航向ψ^*和期望航向角速度r^*。

2、所述实际航向状态包括水中航行器航向ψ和航向角速度r。

3、步骤三具体包括：

其中η∈(0,1]，μ＞0为权重系数，β为遗忘因子且β∈(0,1]φ(k)为伪偏导数，为伪偏导数估计值；当|Δu(k-1)|≤ε或或时

4、β为小于1的正数。

本发明提供了一种水中航行器用遗忘因子式无模型自适应的航向控制方法。本发明在MFAC控制算法的基础上引入遗忘因子β，用β×u(k-1)代替u(k-1)其中β为小于1的正的可调参数，从而降低了上一时刻期望输入对当前期望输入u(k)的影响，遗忘因子β不仅可以降低历史数据对当前数据的影响，还可以根据航向偏差绝对值的大小动态调节这种影响程度。当航向偏差较大时，取适当的β值增加历史数据对当前控制器解算出的数据的影响程度，加快水中航行器航向的收敛速度，当航向偏差变小时通过改变β的值降低这种影响程度，从而避免航向出现大的超调或震荡现象。本发明适用于潜水器，水面无人艇等各种水中航行装备。

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