[发明专利]一种舰船用PID无模型自适应航向控制算法

说明书

本发明属于舰船运动控制领域，具体涉及一种舰船用PID无模型自适应航向控制算法。包括将自适应比例项以及自适应微分项引入无模型自适应控制算法中，提出一种舰船用PID‑MFAC算法；根据舰船期望航向y^*(k)与舰船当前航向y(k)，计算航向偏差e(k)，e(k)＝y^*(k)‑y(k)；当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e₁，则认为舰船的实际航向收敛到期望航向并跳出循环否则执行下一步；PID‑MFAC算法根据e(k)解算出航向系统的期望输入u(k)；操纵机构接收并执行航向系统输入指令u(k)；令k＝k+1，更新舰船当前航向y(k)，并转到步骤2。本发明解决了MFAC算法直接应用到舰船航向控制中存在易发生严重超调、震荡现象甚至失稳的问题，自适应比例项与自适应微分项的引入，提高了控制器的响应速度与系统的动态响应性能。

技术领域

本发明属于舰船运动控制领域，具体涉及一种舰船用PID无模型自适应航向控制算法。

背景技术

准确的控制舰船航向，才能使舰船安全有效的从而执行各种任务，如海图绘制，水文测量等。目前在工程应用中，舰船航向的控制，基本上采用的是PID控制算法，但舰船容易受到模型摄动，环境干扰力等影响，导致拥有一组固定参数的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。

在文献“Heading MFA control for unmanned surface vehicle with angularvelocity guidance”中作者提出一种串级控制方法通过角速度制导的方式间接控制无人艇的航向。但控制器结构复杂，控制器参数多参数整定困难。申请日2018年09月5日，申请号201811031878.6，发明名称“一种舰船用积分分离式PI型紧格式无模型控制方法”通过将比例控制与紧格式无模型自适应方法相结合实现对舰船航向控制的目的，但比例控制没有自适应性。申请日2018年02月02日，申请号201810106120.8，发明名称“一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法及系统”，通过将系统输出重定义为舰船航向与角速度线性和的形式实现对舰船航向控制的目的。但实际中，舰船的角度度信息不易获取，且因外界干扰的存在导致角速度信息测量不准，因此该方法不易于工程实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种舰船用PID无模型自适应航向控制算法，使舰船航向能够稳定收敛到期望航向。

一种舰船用PID无模型自适应航向控制算法，包括以下步骤：

步骤1、将自适应比例项以及自适应微分项引入无模型自适应控制(model freeadaptive control,MFAC)，提出一种舰船用PID-MFAC算法；

步骤2、根据舰船期望航向y*(k)，与舰船当前航向y(k)，计算航向偏差e(k)其中e(k)＝y^*(k)-y(k)；

步骤3、比较e(k)的绝对值与e₁的大小，当e(k)的绝对值|e(k)|小于设定的航向状态偏差的阈值e₁，则认为舰船的实际航向收敛到期望航向并跳出循环，否则执行PID_MFAC算法，PID-MFAC算法解算出航向系统期望输入量u(k)；

步骤4、操纵机构接收并执行航向系统输入指令u(k)；

步骤5、令k＝k+1，更新航向舰船当前航向y(k)，并转到步骤2。

所述一种舰船用PID无模型自适应航向控制算法，步骤1中自适应比例项的形式为自适应微分项的形式为

所述一种舰船用PID无模型自适应航向控制算法，步骤2中PID_MFAC算法为：