波浪滑翔器航向控制方法与实验研究

波浪滑翔器是一种典型的非线性、强耦合、欠驱动系统。传统比例-积分-微分(proportion integral derivative, PID)控制器在复杂多变的海洋环境下难以满足高精度的航向控制要求且存在参数整定困难、无法在线调整等缺点。针对此问题提出一种基于改进粒子群优化(improved particle swarm optimization, IPSO)算法的反向传播(back propagation, BP)神经网络PID控制方法,首先建立波浪滑翔器数学模型,其次利用BP神经网络的自学习能力自适应调整PID参数。同时针对BP神经网络存在对初始权值敏感、反向传播易陷入局部极值等缺点,引入IPSO算法对网络初始权值进行优化,确保BP-PID网络能够获取全局最优解。基于仿真进行海试验证,结果表明所提算法能够显著提高航向控制性能,验证了所提算法的有效性和真实性。

基于DMPC的船舶航向控制算法研究

针对船舶高航速下强机动时易出现大横倾和高海况下的频繁操舵问题,采用离散型模型预测控制(DMPC)理论提出一种基于转向速率和舵角舵速约束条件下的航向机动控制策略,通过控制转向过程中的航向速率限制高速转向过程中的最大横倾。针对海浪干扰特性,通过忽略舵角舵速的约束条件得到线性的DMPC控制器形式并引入辅助滤波器,校正控制器在海浪干扰频率段的频响特性,达到减小无效操舵的目的。仿真数据表明,所设计的基于内环航向速率的航向控制算法能有效地解决船舶高航速机动时的大横倾问题,引入辅助滤波器之后能有效减少船舶在海浪干扰下的操舵频率,显著提高了船舶快速机动时的平稳性和安全性。

无人旋翼机线性自抗扰航向控制

研究无人旋翼机器人在干扰情况下的航向控制问题。无人旋翼机航向动力学包含输入非线性、时变参数和主-尾旋翼之间的强耦合,难以建立精确的数学模型,并且易受外部扰动影响,很难达到良好的控制性能。针对这一问题提出基于线性自抗扰控制(linear adaptive disturbance rejection control,LADRC)的航向控制方法,通过设计扩张线性状态观测器对未知模型和外界干扰进行实时估计并进行在线补偿。以自主研制的无人旋翼机为例,建立其航向动力学方程,把通道间的交叉耦合影响视为不确定扰动,将其与外部干扰作为扩张状态,利用观测器带宽确定观测器增益,设计线性扩张状态观测器来跟踪各阶扩张状态变量,为说明LADRC的有效性,选用PD控制为非线性状态误差反馈控制律实现航向控制。仿真以及试验结果表明在外部扰动或模型结构参数发生变化时控制器仍可获得理想的动态性能,具有很好的适应性和鲁棒性。

迭代滑模增量反馈及在船舶航向控制中的应用

针对一类不确定非线性受扰动系统,提出一种基于非线性迭代滑模变结构的增量反馈控制算法.通过对系统输出迭代设计非线性滑动模态,并利用增量反馈控制,无需对不确定项的估计,在系统输入增益符号已知的条件下可自动寻找使系统稳定的控制量,避免了变结构控制的抖振以及输出反馈控制的稳态误差与超调问题,强化了变结构控制的不变性特点.对不同船型及舵机模型的船舶航向控制进行了仿真,结果表明,系统阶跃响应超调得到有效抑制,定常干扰下的静态误差得到消除,且控制器对模型摄动及干扰变化不敏感、设计参数易于调节.

基于遗传算法和分数阶技术的水下机器人航向控制

[目的]自主式水下机器人(AUV)在海洋资源勘探、水下设备检修、水下搜救等领域发挥着重要作用,是探索海洋、开发海洋资源的重要工具。AUV的航向控制是其完成水下作业任务的基础。目前国内工程上多使用常规整数阶PID(比例、积分、微分)控制器进行航向控制,但该方法存在鲁棒性较差和参数整定复杂的问题。[方法]针对以上常规航向控制方法的不足,提出一种基于分数阶PID技术的航向控制器,并结合遗传算法完成控制参数自动整定,以提高控制器的实用性。分别对试凑法整定整数阶PID参数、基于遗传算法整定整数阶和分数阶PID参数的3种航向控制器进行算法仿真对比。[结果]结果表明:基于遗传算法整定分数阶PID参数的航向控制器相较于其他2个控制器,在上升时间与稳态误差基本相当的情况下超调量显著减小。[结论]说明基于遗传算法整定参数的分数阶水下机器人航向控制算法有效并具有优越性。

模糊自整定PID航向控制算法优化及其性能评判

针对PID航向控制算法初始值选择的合理性对控制器性能所起的重要作用,文章通过建立PID航向控制算法的Kp、Ki和Kd初始值计算模型,实现对模糊自整定PID航向控制算法的优化;基于智能化SIHC仿真研究平台,全面测试了优化的航向控制算法性能,并利用改进的航向跟踪及保持性能评判算法定量评判了航向控制算法的性能。测试结果表明,优化后的模糊自整定PID航向控制算法具备自动根据环境条件和船舶操纵特性确定PID初始值的能力,算法的实用性及适应性得到提升。

基于SIHC仿真平台的船舶航向控制算法性能测试

为比较各种船舶控制算法的性能,利用船舶智能操控(Ship Intelligent Handling and Control,SIHC)仿真平台和MATLAB软件,分别从航向跟踪、航向保持两个方面对该平台集成的普通PID自动舵、模糊自整定PID自动舵进行性能评判及控制性能测试.从测试结果可知,在航向保持方面,就一般船型而言,模糊自整定PID自动舵的性能优于普通PID自动舵;在航向跟踪方面,普通PID自动舵和模糊自整定PID自动舵的控制性能近乎一致,在某些环境或船型下,普通PID自动舵稍胜一筹.

基于滑模反演的欠驱动水面无人艇航向控制

欠驱动无人艇作为一种水上重要的工作平台,其应用范围非常广泛。针对一种欠驱动水面无人艇的运动控制进行研究,首先分别建立其运动学和考虑了风浪干扰的动力学模型,得出了非线性状态空间模型;然后采用基于指数滑模面的滑模和反演相结合的控制算法设计其航向控制器;最后通过仿真和实物实验验证了设计的动力学方程和控制算法的有效性。

多操纵面无尾布局飞机横航向控制

通过风洞测力实验,研究了不同操纵面单侧作动和同步差动对无尾布局飞机横航向气动特性的影响.结果表明:在线性段,升降副翼和襟副翼正向单侧作动以及同步差动都具有一定的增升效果,全动翼尖单侧作动使得全机升力系数减小.操纵面作动对偏航力矩控制的规律性不明显,通过比较发现全动翼尖单侧作动对偏航力矩的控制效果要高于升降副翼和襟副翼作动.操纵面作动对滚转力矩具有较好的控制效果.升降副翼和襟副翼正向作动均会带来负的滚转力矩,舵偏角度越大负向滚转力矩越大.升降副翼作动对滚转力矩的控制效率高于襟副翼,全动翼尖作动对滚转力矩的控制效率较低.相比单侧作动,两侧同步差动可以提高滚转力矩控制效率.

船舶航向控制系统的反步滑模设计

针对一类具有不匹配不确定的单输入单输出非线性系统,运用反馈线性化理论改变系统状态向量将其线性化,并提出一种基于反步滑模的控制算法。根据反步递推设计的思想,在每步中采用了鲁棒的变结构控制来使虚拟系统稳定,无需在反步设计中采用自适应调节参数,减小了系统计算量,同时采用饱和函数解决了滑模控制的抖动问题。将其应用于船舶航向控制系统,通过对考虑喷水推进船舶喷口特性的航向控制系统的仿真应用,表明控制器对不匹配的模型摄动及海浪干扰变化不敏感、设计参数易于调节,系统能够实现对船舶航向的稳定控制。

无人飞艇的鲁棒航向控制系统设计

将线性矩阵不等式(LMI)方法应用于静不稳定飞艇的鲁棒航向控制系统设计中,该飞艇模型具有参数不确定性。首先,给出了飞艇的横侧向运动模型。并且,采用了多面体集合的形式来描述对象的不确定性。然后采用LMI方法,将飞艇航向控制系统的设计简化为一个基于多面体系统的凸优化问题。由于该方法存在着一些设计裕度, 因此可以利用这种裕度来实现多目标控制。根据该方法设计出的闭环控制系统由内环的增稳系统和外环的PI控制器组成。最后,提供并分析了飞艇航向控制系统的仿真结果。

基于自适应输出反馈的船舶航向控制

针对复杂海情下的航向跟踪问题,提出基于神经网络的自适应输出反馈控制方法.利用Lyapunov稳定性理论,证明了该控制设计方法的稳定性.为克服航向角速度难以测量的问题,应用线性观测器进行状态估计,并结合神经网络拟合了复杂海况下的水动力不确定参数.为增强控制器的鲁棒性,对所设计的控制器进行了重新修正,使其具有更好的抗干扰能力.以一艘货船为例,进行了航向在10°和—10°间连续改变的仿真实验,结果表明设计的控制器具有船舶操纵的良好动态性能,且具有无超调、鲁棒性强的优点.

神经网络PID在全垫升气垫船航向控制中的应用

气垫船结构上的特殊性,决定了其在操纵方面与常规船舶有很大不同。设计了神经网络控制器,对气垫船的航向控制进行了仿真,并与常规PID控制的效果进行了对比。从仿真结果可以看出,在气垫船受风力的作用下,神经网络控制器在克服干扰方面具有比常规PID(比例-积分-微分)控制更好的效果。

非线性船舶航向控制器Backstepping设计

讨论了Backstepping(反向递推 )设计方法在船舶航向控制器设计中的应用问题。基于诺宾(Norbin)非线性船舶模型 ,应用反向递推方法 ,成功地设计出非线性航向控制器。MatlabSimulink仿真试验表明 ,Backstepping(反向递推 )算法可以有效克服船舶的非线性操纵特性 ,从而达到较好的航向跟踪效果。

飞翼无人机地面滑跑建模与航向控制

无人机在地面滑跑阶段的运动特性与空中飞行阶段不同,建立无人机在这一阶段的数学模型,对进一步研究实现无人机安全的自动起降有重要意义。以飞翼布局无人机为研究对象,对其进行详细的受力分析,建立了地面滑跑阶段的非线性数学模型;采用主轮不对称刹车与阻力方向舵协调控制的方案进行无人机滑跑时的航向控制,并在Matlab/Simulink平台上进行仿真,由仿真结果表明模型可用。

一种低速情况下无尾飞翼飞机航向控制方法

无尾飞翼飞机通常使用开裂式阻力方向舵或者嵌入式操纵面来解决其航向控制问题。开裂式阻力方向舵对飞机的航向控制机理与传统方向舵不同,其舵效随舵偏角的变化呈非线性特性,且在较大迎角时会产生操纵反效现象,诱发航向振荡,产生飞行事故。针对此问题,利用CFD方法分析了某小型无尾飞翼飞机开裂式阻力方向舵的操纵特性,提出一种基于迎角反馈的开裂式阻力方向舵预偏差动控制方法,并进行了非线性数值仿真和试飞验证。结果表明:该方法可以改善开裂式阻力方向舵的非线性特性,解决操纵反效问题,增强无尾飞翼飞机低速飞行时的航向控制性能。

灰色预测GA-PID全垫升气垫船航向控制

全垫升气垫船是一种高性能船舶,具有良好的快速性和两栖性,有很广泛的应用领域。但由于系统本身的非线性特性,很难获得很好的操纵性。为了控制提高动态特性和获得精确控制规律,提出采用灰色预测的GA-PID方法,利用遗传算法在每个采样时间对PID参数进行在线优化整定,同时利用灰色误差预测可以准确预测误差的实时变化趋势,以误差预测值进行PID控制可以起到一种超前控制的作用。在这两种控制共同作用下进行仿真。结果表明,气垫船航向控制有很强的自适应性,并在各种环境下都能得到很好的控制效果,证明结果有效。

小展弦比飞翼布局新型嵌入面航向控制特性研究

在小展弦比飞翼布局机翼外侧上/下表面分别设计了一组中等后掠角嵌入面,并对其跨声速时的航向控制效果及其流动机理进行了风洞试验和数值模拟研究。计算和试验结果表明,上嵌入面可在小迎角范围通过轴向力和侧向力的共同作用提供稳定的偏航力矩,实现航向控制;当α>6°时,由于嵌入面逐渐处于前缘涡的影响范围内,在前缘涡的吸力作用下,嵌入面航向控制效果迅速下降,直至失效,且进行航向控制时存在不利的滚转耦合;下嵌入面可在全迎角范围内提供稳定的偏航力矩,实现航向控制;通过在小迎角范围内使用上嵌入面,α>6°时使用下嵌入面,不仅可在全迎角实现航向控制,且不影响飞机的隐身性能。

基于模糊神经网络PID的无人艇航向控制器研究

针对常规比例、积分和微分(proportional integral derivative,PID)控制器在无人艇航向控制系统中表现出的稳定性差、控制精度低等问题,文章提出一种将模糊控制与反向传播(back propagation,BP)神经网络相结合的控制算法;在MATLAB中对比常规PID控制器、模糊PID控制器与模糊神经网络PID控制器在给定期望航向角下的航向控制性能,仿真结果表明模糊神经网络PID控制器对无人艇的航向控制性能最佳;在搭建的实验平台上对不同航向控制器下无人艇的航行轨迹和航向角进行比较,实验结果进一步验证了模糊神经网络PID航向控制算法的优越性。

基于GA和H_∞混合优化的船舶航向控制器设计新方法

提出一种ＧＡ和Ｈ∞混合优化的般舶航向控制器设计新方法。该方法采用Ｈ∞环路成形技术设计船舶航向控制器，成形权函数采用遗传算法进行优化，从而避免了凭经验试凑权函数的盲目性，使控制器的设计系统化，且简单易行。