[发明专利]舰船用多回路无模型自适应艏向控制方法

说明书

本发明提供一种舰船用多回路无模型自适应艏向控制方法，本发明中控制系统采用外环导航控制器和内环角速度控制器的组合方式，外环导航控制器计算期望转艏角速度，内环MFAC角速度控制器完成角速度控制，间接实现航向控制的目的。实际应用中，角速度传感器噪声大，本发明利用控制系统历史输入输出数据进行角速度预测，通过卡尔曼滤波器对角速度数据滤波，作为内环角速度控制器的反馈输入，抑制角速度传感器的噪声，有效提高实际应用中的控制效果。本发明将MFAC控制理论引入舰船艏向控制领域，借助MFAC理论独特的自适应性及在线数据驱动优点，本发明提供的舰船用多回路无模型自适应艏向控制方法具有较强的自适应性。

技术领域

本发明涉及一种舰船用多回路无模型自适应艏向控制方法，用于舰船艏向控制，属于舰船自动运动控制领域，本发明中的舰船是指广义上的各种水中航行装备，如水面船舶、潜水器、潜艇、水下无人航行器、水面无人艇等，在本发明中统称为舰船，都在本发明的应用范围内。

背景技术

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。

无模型自适应控制理论(MFAC)不依赖于精确的数学模型，采用数据驱动方式调节控制参数，已应用于多种领域并取得了良好效果，如程启明等提出的公布号为CN101957598A,发明名称为“一种大时滞系统灰色无模型控制方法”的发明专利，马洁等发表的论文《大型舰船综合减摇系统无模型自适应控制》等，但目前已公开的方法均不适用于舰船的艏向控制，因为舰船的艏向系统不满足MFAC算法对受控系统“拟线性”假设条件的要求，即受控系统输入增加时相应的受控系统的输出是不减的。

姜权权等人提出的发明名称为“舰船用重定义输出式无模型自适应艏向控制算法”的尚未公开的专利中，在无模型自适应控制理论(MFAC)中重定义系统输出(船体艏向和角速度的函数)，使得舰船的艏向控制系统满足MFAC理论对受控系统的“拟线性”假设条件，从而使得该重定义输出式MFAC理论可以应用于舰船的艏向控制中。而本发明提出的方法为外环导航控制器和内环角速度控制器的组合方式，MFAC控制器用于内环角速度的控制，此外，本发明利用控制系统历史输入输出数据进行角速度预测，通过卡尔曼滤波器估计系统转艏角速度，解决了实际应用中角速度传感器噪声大的问题。因此，二者的理论基础和控制系统结构具有本质不同，并且本发明中引入的对角速度传感器噪声的处理过程将有效提高实际应用中的控制效果，相对于现有技术具有显著进步。

蔡满军等发表的论文《一种带有无模型外环补偿的PID控制》，控制系统采用了多回路结构，内环采用PID控制方法，外环无模型自适应控制作为补偿，实际控制系统输出取外环无模型自适应控制与内环PID控制之和，该方法本质为对控制系统中原有控制方法的加性修正，而本发明中MFAC控制器为内环控制器，与外环导航控制器为串联关系，二者原理具有本质不同。

发明内容