基于非线性修饰和零阶保持器的船舶航向保持控制

[目的]为了解决船舶在海上航行时控制器舵角输出大、打舵频率高、控制速度较慢以及控制精度较低的问题,利用三阶闭环增益成形算法设计鲁棒控制器。[方法]首先,利用三阶闭环增益成形算法设计出线性鲁棒控制器,然后,在控制策略中加入双曲正切非线性修饰以及零阶保持器,在不同海况下对该控制器的性能进行仿真实验。[结果]仿真结果表明,相比于基于非线性修饰的传统PID控制器,在一般海况下,所提控制器在延迟时间、控制精度以及能量输出上分别改进了36%,14%和32%;在恶劣海况下,分别改进了27%,7%和16%。此外,不同海况下该控制器的仿真结果都具有稳定的舵角输出,并可以较快地稳定在临界值附近,证明了其具有较好的鲁棒性。[结论]改进的控制器符合工程实践,对于智能船舶的控制具有较好的应用参考价值。

一种基于双重非线性正反馈的节能降碳航向保持控制方法

[目的]为了解决船舶航向保持过程中舵角幅值过大以及舵角变换率过高而导致能耗过大的问题,提出一种基于双重非线性正反馈的节能降碳航向保持控制方法。[方法]采用闭环增益成形算法(CGSA)设计控制器,引入双重非线性反馈算法,通过双极性S函数与反正切函数的结合降低舵角幅值与操舵频率,最后使用正反馈的方法实现整个控制系统的控制。[结果]仿真结果表明,在6级海况和8级海况下,采用所提出的双重非线性反馈控制方法,反映舵机能耗的综合节能评价指标分别改进了31.53%和18.63%。[结论]验证了双重非线性反馈在降低舵机能耗、减少船舶航行过程中碳排放方面具有较好效果,以及正反馈和负反馈的等价控制效果。所提方法为船舶航向保持控制的研究提供了较好的应用参考价值。

用镜像映射方法求非稳定过程的鲁棒控制器

非稳定过程在开右半平面的零极点关于虚轴的对称值称为该零极点的镜像映射。通过镜像映射将非稳定过程转换成最小相位系统 ,然后用闭环增益成形算法求解鲁棒控制器。由于非稳定过程在镜像映射前后的奇异值曲线相同 ,而闭环增益成形方法直接根据鲁棒性能指标的奇异值曲线形状用闭环系统具有工程意义的参数构造出鲁棒控制器 ,故该控制器对非稳定过程同样具有鲁棒性。该方法求解过程异常简单 ,工程意义明确。

舵鳍联合减摇的鲁棒控制系统

为了在保持航向的同时,达到较好的减摇效果,提高船舶航行的安全性和舒适度,设计一种舵鳍联合控制系统。根据先验知识,用具有工程意义的带宽频率、高频渐近线斜率、最大奇异值和频谱峰值4个参数构造了闭环系统的传递函数阵,给出了多输入多输出系统的闭环增益成形算法,将之应用于舵鳍联合减摇的控制中,运用Simulink工具箱得到仿真曲线。仿真结果表明所设计的控制系统在保证航向控制的同时,船舶横摇平均在±2°左右,最大4°,达到了较好的减摇效果。

一种简化的H_∞控制混合灵敏度算法

受到回路成形思想的启发 ,通过对H∞ 控制的S T混合灵敏度奇异值曲线的观察及基于S和T具有相关性的考虑给出一种简化的H∞ 控制混合灵敏度算法 .该算法避免了权函数的选择而对系统进行闭环增益成形 ,其核心是确定闭环系统传递函数即T的最终希望的形状 ,不加任何权函数 ,直接设计出K .由于T和S的相关性 ,T的形状确定 ,S 的形状也就确定了 。

闭环增益成形算法在舵阻摇系统中的应用

给出了单输入多输出(SIMO)系统即被控对象为非方阵情况下的闭环增益成形控制算法。考虑到舵阻摇系统的闭环传递函数阵一定是奇异的,以及具有1个输入控制2个输出的特点,在保证其中1个输出尽量小而另1个输出跟踪输入的前提下,将闭环传递函数阵即补灵敏度函数阵设为具有一阶惯性的奇异阵,设计出鲁棒控制器。研究并建立舵阻摇系统的非线性模型,并在Matlab中通过编写S函数来实现。用设计好的控制器对非线性模型进行仿真,运用Simulink工具箱得到仿真曲线,从仿真曲线可看出此控制器具有良好的鲁棒性能。通过分析并比较阻摇前和阻摇后的各组仿真曲线,算出减摇率在50%左右,减摇效果较好。

船舶横向运动鲁棒PID控制及优化

针对船舶横向运动控制特点,为达到航向舵控制航向同时达到减横摇的目的,提出了一种基于闭环增益成形和模糊优化算法的鲁棒PID控制器设计方法。根据具有工程实际意义的横摇和艏摇带宽直接构造出横摇、艏摇鲁棒PID控制器,并基于横摇与艏摇频谱,组合成横向控制器。由于用舵来减摇不可避免地增加了舵机的工作负担造成较大的舵机损耗,为此提出对横摇和艏摇控制器输出加入权重分配,采用模糊算法优化横向控制器权系数的方法,达到系统性能综合最优。仿真结果表明所设计的控制器具有较强的鲁棒性,合理的权系数选择,不但可以达到降低舵机损耗的目的,而且提高了航向控制精度。该控制器设计简单,易于船舶横向运动控制的实际工程应用,具有一定的研究价值。

基于响应模型在线辨识的航向鲁棒优化控制

为进一步解决船舶航向控制中模型不确定性的问题,实现鲁棒航向控制器的参数优化,将基于闭环增益成形算法的二阶鲁棒航向控制器参数分成模型参数和干扰带宽参数两部分。对于模型参数摄动,直接利用遗传算法对响应型船舶运动模型参数进行在线辨识;同时,针对海况变化引起航向保持性能下降的情况,综合考虑航向保持精度和舵机节能优化干扰带宽参数,从而实现控制器参数的双重在线优化。仿真结果表明,与固定参数控制器相比其具有更高的航向保持精度、更小的航向调节时间和超调幅度。该系统对于模型摄动和外界干扰具有较好的自适应能力,具有明显的工程应用价值。

基于鲁棒模糊控制的船舶转向及航向保持

为更好的满足船舶转向和航向保持对自动舵系统的不同要求,首先基于一阶闭环增益成形算法对船舶转向过程分三段进行控制器设计,在自适应模糊推理系统(ANFIS)离线模型辨识正确的前提下得到每个控制器的模糊隶属度函数,然后对三个控制器的输出进行T-S模糊综合。以实习船"育龙"轮的非线性响应模型为控制对象,考虑不同的干扰和模型摄动情况后进行了仿真试验。仿真结果显示该控制器具有超调小、响应快的动静态特性,并在干扰和模型摄动下表现出较好的鲁棒稳定性和鲁棒性。

规划控制策略下的无人船航向简捷鲁棒控制

针对无人船规划控制策略中航向反馈控制模块的设计问题,本文采用闭环增益成形算法对其进行控制器设计研究。利用李雅普诺夫稳定性理论对闭环增益成形算法所设计航向控制器的鲁棒性和稳定性进行分析,证明了控制系统的L 2增益鲁棒性能与控制器参数密切相关,并可以由此定量地求解出控制器参数的取值范围。在仿真实验中采用本文所提出的控制器设计策略在多向不规则波条件下对大型船舶“育鲲”轮进行仿真实验,并将本文所提出的控制策略应用于小型无人船舶的仿真实验中,通过与非线性反馈控制算法的仿真结果进行对比分析,结果表明:本文所提出的航向反馈控制器控制性能提升约4%~12%,且控制器结构简单,具有很好的应用潜力。

SMA迟滞系统的PID控制及参数优化研究

形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)是一类新型功能材料,作为电热驱动器,广泛应用于工程领域。但由于材料内在的非线性性质和迟滞效应使其在控制系统的设计和热力学建模上较为困难,不利于简单控制系统和实时控制的实现。基于Preisach理论给出SMA驱动器系统的温度-位移迟滞模型,分析系统的热传导过程,将传统的比例-积分-微分PID(proportional-integral-differential,PID)策略应用于控制器的设计,并引入蚁群和粒子群两类智能算法优化控制器参数,讨论优化过程和控制效果;与传统PID参数整定方法相比,系统的阶跃响应和正弦信号跟踪性能取得比较理想的效果,且智能算法调节控制器参数的实时性更强,克服非线性和迟滞效应的影响。

水翼艇纵向运动多变量鲁棒控制

为了提高水翼艇纵向运动控制的鲁棒性,采用MIMO闭环增益成形算法设计了鲁棒控制器。给出了水翼艇纵向运动传递函数形式的数学模型,通过镜像映射方法将不稳定模型转换成稳定的数学模型。仿真结果表明,所设计的鲁棒控制器将纵摇角降至了原来的25%并对模型摄动具有鲁棒性。

用航向偏差的正弦函数驱动的自动舵控制算法

常规的闭环控制是以设定值与输出的误差为反馈信号,提出以设定值与输出之差的正弦函数为反馈信号驱动控制器,在不改变控制律的基础上,以较小的控制器输出取得相同的控制效果。以"育龙"轮为例,给出了用航向偏差的正弦函数驱动的自动舵控制算法的仿真结果,最大初始舵角下降了40%,而控制效果几乎与原控制效果相同,本算法具有节能、安全的优点。

基于非线性反馈的水翼艇纵向运动鲁棒控制

为提高水翼艇纵向运动控制的鲁棒性和节能效果,在保持已有的多输入多输出(Multiple-Input Multipe-Output,MIMO)鲁棒控制器不变的基础上,引入正弦函数驱动的非线性反馈代替原有的误差线性反馈。仿真结果表明:在模型摄动时,鲁棒控制器主要改进纵摇效果,而非线性反馈控制能同时改进升沉和纵摇效果,控制效果比鲁棒控制器提升70%以上,控制能量比鲁棒控制器节省90%以上。简单的理论分析和仿真研究结果表明:正弦函数驱动的非线性反馈对于MIMO系统的控制同样适用。

船舶运输安全保障下的智能船舶运动控制策略

[目的]为了最大限度地保障智能船舶运输安全,研究一种与智能船舶正常航行控制策略不同的船舶运动鲁棒控制算法,不追求准确、快速和节能,以智能船舶稳定航行为唯一设计指标。[方法]采用四维Norrbin非线性数学模型和二阶闭环增益成形算法设计控制策略。[结果]得到了航向不稳定船舶保持稳定的鲁棒控制器设计的通用算式,仿真结果验证了所提出控制策略的有效性。[结论]正常海况下,该控制策略的综合性能指标不如以往的控制策略,但在8级风以上的恶劣海况下,能最大限度地保障船舶航行稳定、安全。该控制策略可以作为智能船舶在恶劣海况下安全航行的配套措施。

一种鲁棒神经网络结构在温度控制系统中的应用

在神经网络直接逆控制的基础上,加入闭环增益成形控制算法,构成闭环的控制系统,以提高系统的鲁棒性。通过对简单的温度控制系统仿真结果分析可知,当系统没加入死区模型摄动时,具有闭环增益成形控制算法的神经网络控制系统与神经网络直接逆控制的控制性能相近,当加入死区时,前者明显提高了系统的鲁棒性。

基于e-航海的船舶智能航行

针对e-航海背景下的船舶绿色、低碳航行问题,提出一种基于非线性反馈的闭环增益成形算法。首先阐述e-航海技术与船舶智能航行之间的共性,以大连海事大学无人船艇'蓝信'号为船舶模型,在保持已有的闭环增益成形算法不变的基础上,引入正弦函数驱动的非线性反馈代替原有的误差线性反馈。仿真结果表明:基于非线性反馈的闭环增益成型算法控制器更加节能,符合e-航海的要求;闭环增益成形算法控制器设计简单,工程中易于实现。

闭环增益成型算法在运动控制器中的应用

我国内河众多,海上疆域广大,蕴含着丰富的石油、天然气、可燃冰、有色金属等资源,因此,对海洋资源的开发以及海上航运业的发展成为国家的战略规划重点。舰船与海上作业平台作为主要的开发工具,其设计与制造质量具有重要意义,尤其对于高速化、大型化船舶的运动控制。船舶在海上受到的干扰力较多,本文针对船舶的运动过程建立模型,并结合闭环增益成型算法设计一种船舶运动控制器,并基于Matlab进行了船舶运动控制器的仿真试验。

一种节能的非线性反馈船舶航迹保持算法

给出一种节能的非线性航迹保持算法,将由反正切函数驱动的航向偏差非线性反馈arctan(ωe)代替原航向偏差e,作为控制器的输入,得到的控制器用船舶自动舵仿真测试平台进行测试,将仿真结果与通过闭环增益成形算法得出的线性PID控制器控制效果比较。结果表明,非线性反馈控制器输出平均幅值降低,航迹偏差减小,增强了航迹保持控制效果,节约能源、减少舵机损耗。

闭环增益成形算法下的航迹保持控制

Carrot following是一种间接式航迹保持算法,它找到期望航向后只使用简单的比例控制,因此航迹保持控制效果较差,为了在保持原方法简洁性的同时改善船舶的航迹保持效果,本文通过引入闭环增益成形算法对其控制率做了改进。间接式航迹保持控制能够使相关成果简单迁移到航迹保持问题中。仿真结果表明:所提出的间接式控制方法能够实现船舶的航迹保持,仿真下的稳态误差小于5 m,而航向保持中的许多技巧在航迹保持中依然适用。本文所提方法简洁有效,具有推广价值。