[发明专利]一种全向无人艇及其控制系统、方法

权利要求书

1.一种全向无人艇的控制方法，其特征在于,包括如下步骤：

步骤一：获取无人艇主控设置的期望值，初始化共生生物算法的种群以及最大迭代数；

步骤二：执行共生生物算法进行个体X_best搜索，通过最优个体的值对控制器的参数进行整定；

步骤三：对控制器输出值进行反Park变换、SVPWM算法，得到控制推进装置的矢量电压，电机开始执行转动；

步骤四：采集推进装置的三相电流，经过扩展卡尔曼滤波器的估计后得到推进装置的位置和转速重复完成步骤一到步骤三；

SVPWM算法包括如下步骤：

通过判断输入电压U_α、U_β的值确定合成的矢量电压U_ref所在的扇区，

当U_α0，U_β0且U_β/U_α√3时，U_ref落在第I扇区；

当U_β0且U_β/U_α√3；U_ref落在第Ⅱ扇区；

当U_α0，U_β0且-U_β/U_α√3；U_ref落在第Ⅲ扇区；

当U_α0，Uβ0且U_β/U_α√3；U_ref落在第Ⅳ扇区；

当U_β0且-Uβ/U_α√3；U_ref落在第V扇区；

当U_α0，U_β0且-U_β/U_α√3；U_ref落在第Ⅵ扇区；

若U_ref落在第Ⅰ扇区，Tx＝-Z,Ty＝X；

若U_ref落在第Ⅱ扇区，Tx＝Z,Ty＝Y；

若U_ref落在第Ⅲ扇区，Tx＝X,Ty＝-Y；

若U_ref落在第Ⅳ扇区，Tx＝-X,Ty＝Z；

若U_ref落在第V扇区，Tx＝-Y,Ty＝-Z；

若U_ref落在第Ⅵ扇区，Tx＝Y,Ty＝-X；

再根据基准电压U_dc以及U_α、U_β计算出U_α、U_β的对一个周期T_S的U_ref作用时长，作用时长Tx、Ty计算公式如下：

控制逆变桥电路合成指定扇区的矢量电压U_ref；

步骤三包括如下步骤：

A1：对三相电枢绕组的任意两相电流i_a、i_b，通过Clarke变换，把三相电流变换到正交的直角坐标系α-β下，得到两相正交电流i_α和i_β，通过Park变换将静止的两相正交坐标系α-β变换成跟随电机转子旋转的两相正交坐标系d-q，将强耦合、非线性的三相交流电流i_a、i_b、i_c解耦成两相直流励磁电流i_d和转矩电流i_q；具体变换公式如下：

A2：采用基于i_d＝0磁场定向控制，实际i_d与期望值0做比较，由于期望值固定为0，电流环PI控制器足以进行稳定校正控制；使用分数阶模糊控制器对转矩电流i_q进行校正控制，分数阶模糊控制器的控制律如下：

u(k)＝(f(E,CE)+IE)K_u

u(k)＝(f(K_pe,K_dD^αe)+K_iIe)·K_u

其中E、CE、IE分别为误差、误差的分数阶微分、误差的积分，待整定参数K_p、K_d、K_i分别是调节比例控制、微分控制和积分控制的权重，待整定参数K_u是总输出的权重；

D^α为分数阶微分算子如下：

其中h^α(k)为脉冲响应序列；

T_c为采样频率模糊控制规则如下：

如果E＝NM，CE＝NS，那么U＝NL；

其中，E是误差，CE是误差的分数阶导数，U是输出，NL、NM、NS、ZR、PS、PM和PL分别代表“负大”、“负中”、“负小”“零”、“正小”、“正中”和“正大”；

A3：对电流环校正输出的电压V_d、V_q进行Park逆变换，得到V_α、V_β；通过SVWPM技术得到目标矢量电压，控制无刷电机；矢量电压计算公式如下：

其中f为电源频率；

A4：在电流环外部增加速度环控制，将实际转速与参考转速进行比较，同样使用共生生物搜索算法优化的分数阶模糊控制进行电机的转速校正，输出参考电流i_q；

A5：使用扩展卡尔曼滤波器EKF作为电机的观测器，估计电机的转角和转速其中观测器的输入分别为V_α、V_β、i_α、i_β、θ，输出为

A6：速度环与电流环的分数阶模糊控制共有待整定10个，分别为α₁、k_p1、k_d1、k_i1、k_u1、α₂、k_p2、k_d2、k_i2、k_u2；使用共生生物搜索算法SOS进行优化，待整定参数(α₁,k_p1,k_d1,k_i1,k_u2,α₂,k_p2,k_d2,k_i2,k_u2)表示了共生生物搜索算法SOS算法的搜索维度，考虑到被控系统的瞬态响应的震荡性要求最优指标法采用ITAE准则，评价模型J如下，其中e(t)表示闭环误差函数：