基于 Matlab的水下航行器航向自抗扰控制方法研究*

水下航行器航行环境日趋复杂、传统的P ID控制日渐无法满足复杂的任务需求,为此论文采用自抗扰控制算法设计水下航行器航向态控制器,以达到替换老旧的P ID控制的目的。仿真结果表明,自抗扰控制器操舵平滑,控制速度快,鲁棒性和环境适应能力更好,完全能胜任水下航行器控制的要求。     

基于自抗扰控制的小型ROV姿态与深度控制研究

针对小型有缆式水下航行器(ROV)运动控制中参数不易确定和在有扰动的情况下,易出现抗干扰性能差等问题,文章提出了一种基于自抗扰控制(ADRC)的小型ROV姿态和深度控制方法.建立ROV的运动学和动力学模型,并进行模型的简化;基于ADRC控制方法设计小型ROV的姿态与深度控制器,并在有干扰和无干扰2种情况下分别进行仿真分...     

基于自抗扰的双桨单舵水面无人艇航行控制

根据双桨单舵驱动水面无人艇的运动特点,针对正常驱动及单桨故障的状态,给出了一种基于增量式比例-积分-微分(proportion-integral-differential,PID)控制器和自抗扰控制算法的水面无人艇航行控制方案。该方法在双桨单舵正常状态下采用自抗扰控制方法,在故障状态下采用增量式PID方法获取平衡舵角,并配合自抗扰方法实现对水面无人艇航行控制。仿真结果表明:在风浪干扰情况下自抗扰控制方法较PID控制方法超调小、抗干扰能力更强。实艇水面测试结果表明:增量式PID与自抗扰相结合的控制方案在单侧螺旋桨出现故障情况下,能保持无人艇目标航向,且具有较好控制效果,能够满足双桨单舵驱动水面无人艇的航行控制要求。     

非规则波动下直线航迹自抗扰控制数学模型设计

非规则波动,船舶直线航迹经常出现偏差,影响了船舶航行的稳定性和安全性。为此,针对传统PID控制、自适应神经网络控制2种方法控制效果差的问题,设计一种非规则波动下直线航迹自抗扰控制数学模型。该模型分为3部分:首先进行跟踪微分器设计,消除干扰因素的影响,然后利用扩张状态观测器,估计船舶运行状态,最后利用状态误差反馈,计算船舶运行误差,以此实现自抗扰控制。结果表明,与传统PID控制、自适应神经网络控制2种方法相比,利用设计的数学模型进行非规则波动下直线航迹自抗扰控制,得到的直线航迹与预期航迹之间的拟合优度更大,更接近1,由此说明自抗扰控制数学模型更能有效规范船舶直线航迹,保证了船舶航行的稳定性和安全性。     

恶劣海况下船舶航向控制仿真及应用研究

船舶在海面航行时,会受到风浪的干扰.此时,船舶航向控制困难,操舵频繁.采用Kalman滤波和模糊自整定PID控制,并基于线性化船舶运动方程的线性时,不变连续时间系统的设计方法得到的船舶操纵控制器,具有抗干扰能力强、鲁棒性好的特点,有效地解决了船舶在风浪干扰条件下的船舶航向控制时的操舵频繁与无效操舵问题.     

近水面低航速下潜航器深度自抗扰控制

深度控制是潜航器运动控制重要组成部分。在近水面航行时,潜航器受波浪力的扰动,二阶波浪力将使潜航器难以保持深度。同时,低航速状态下,水平舵受航速影响舵效大幅降低,本文基于自抗扰控制技术(ADRC)设计了潜航器深度控制器,通过扩张状态观测器(ESO)观测扰动并及时进行补偿。仿真与水池实验表明,相较于传统PID方法,该控制器使得潜航器具有更好的深度控制效果。     

专家控制-改进S面算法在近水面航行器运动控制中的应用研究

[目的]旨在提高舵板响应速度和效率,以满足近水面航行器在静水及波浪干扰下的深度保持和姿态控制要求。[方法]在S面算法的基础上,提出一种具有更快收敛速度的改进S面控制算法,并与专家智能控制相结合,建立闭环专家控制-改进S面算法的混合控制模型,构建混合算法控制器。对比分析PID算法、S面算法、改进S面算法以及专家控制-改进S面算法在近水面航行器航行深度、姿态控制间的差异,并进行波浪干扰下的运动预报。[结果]预报结果表明：改进S面算法在静水航行控制中可提高收敛速度,波浪干扰下可降低纵摇幅度;专家控制-改进S面算法能够提高舵的控制效率,在静水中快速实现航行状态稳定转换,在波浪中有效降低近水面航行器垂荡和纵摇幅值30%以上。[结论]所提专家控制-改进S面算法对近水面航行器运动稳定性的提高适用性良好。     

用于船舶主动式升沉补偿的自抗扰控制方法

针对主动式升沉补偿控制系统在工作过程中存在的非线性、时滞性以及干扰性等造成系统的稳定性控制难度大的问题,为提高主动式升沉补偿控制系统的控制精度与稳定性,将自抗扰控制技术（ADRC）应用于船舶升沉补偿系统并进行数值仿真研究。对主动式升沉补偿控制系统进行数学建模以及自抗扰控制算法设计,并针对具有干扰和时滞环节的控制系统,将ADRC与传统的PID控制进行仿真效果对比,验证自抗扰算法的良好性能。最后以6级海况风浪流全耦合环境作为研究对象得出一套自抗扰参数组合,并将该套参数应用于多种海况环境进行仿真分析。仿真结果表明,不同耦合环境和不一样的海况环境下,ADRC使用同样参数下均取得了满意的升沉补偿控制效果,展现出很好的适应性能与鲁棒性。     

船舶航向线性自抗扰积分滑模控制

针对能更加精确地描述船舶动态性能的Bech模型航向控制问题,构造三阶跟踪微分器,对期望航向及其微分进行精确提取,提出了一种基于线性自抗扰的积分滑模航向控制器。该控制器采用线性扩张观测器对实际航向与内外界总扰动进行在线估计与补偿;引入积分滑模面函数,设计非线性误差反馈控制律,加快系统的收敛速度。采用Hurwitz多项式,简化控制器,实现控制器参数化。由仿真结果得出,控制器能快速准确地跟踪到期望航向,对参数摄动与外界干扰具有较强的鲁棒性。该控制器设计结构简单,线性自抗扰与变结构积分滑模面相结合的控制器设计提升了控制品质。     

潜艇近水面运动的定深控制研究

考虑了潜艇于近水面航行时波浪对深度测量的干扰,在分析潜艇运动特性的基础上,针对高频操舵问题,提出了一种“开环补偿＋闭环增量修正”的定深控制方法。仿真结果表明其控制算法效果良好。     

自抗扰控制器在潜艇近水面航行深度控制中的应用

基于潜艇垂直面非线性运动模型,模拟近水面情况下潜艇的操纵运动;利用自抗扰控制技术(ADRC),对潜艇深度变换进行控制.仿真表明,相对于现有潜艇的操纵控制,在潜艇深度控制上,自抗扰控制器可以获得较高的控制品质和较理想的控制效果,并且可以实现控制上的零超调.     

基于预测控制的水下自航器抗海浪变深控制分析

水下自主航行器在近水面航行中存在着深度跟踪和姿态控制较为困难的问题。为此，首先建立了自主航行器的近水面三自由度运动数学模型，然后设计了无迹卡尔曼滤波器实现对系统状态的估计；接着，利用斯特林内插法在变动的工作点处对自主航行器模型进行近似线性化，并根据线性化后的模型设计预测控制器，实现自主航行器的变深运动控制。经过仿真实验，验证了滤波器对自主航行器近水面运动状态估计的准确性以及预测控制器在抗海浪扰动上的控制效果。仿真结果表明，带有无迹卡尔曼滤波器的预测控制器可以快速、准确的实现自主航行器的深度跟踪控制与姿态控制，且具有响应速度快，对外部扰动鲁棒性强的特点。     

船舶航行速度高精度控制的数学模型研究

现有模型无法适应不同荷载的航速需求,存在着控制精度低、控制时延长的缺陷。为此,提出船舶航行速度高精度控制的数学模型研究。分析船舶航行速度影响因素,构建船桨系统、柴油机以及附加阻力数学模型,以此为基础,基于PID技术设计航行速度控制器,制定船舶航行速度控制规则,通过执行控制规则,应用PID控制器实现了船舶航行速度的高精度控制。设置干扰环境,准备实验对象相关数据,进行船舶航行速度控制仿真实验。实验结果表明,与现有模型相比,本文构建模型航速控制精度较高,航速控制时延较短,表明构建模型航速控制效果更佳。     

UUV走航CTD探测的航迹规划及控制方法研究

介绍了一种航迹规划与控制方法,使得无人水下航行器(UUV)能够使用CTD测量仪完成水下探测任务。详细介绍了所研究的UUV硬件系统体系结构,同时完成UUV水平面和垂直面的航迹规划,使其在满足UUV设计要求及CTD测量特性约束条件下能够完成水下探测任务。为了实现UUV在三维空间里较好的跟踪所规划的航迹,应用自抗扰控制(ADRC)技术,分别设计了自抗扰航向控制器和纵倾控制器。所研究的航迹规划与控制方法在UUV半实物试验中得以验证。     

三自由度波浪补偿舷梯串级自抗扰控制

本文对三自由度液压驱动波浪补偿舷梯进行建模,考虑到模型非线性、模型参数不确定、存在外部干扰等问题,设计一种串级线性自抗扰控制器对舷梯的升沉、横荡、纵荡3个自由度进行控制。首先根据拉格朗日方程建立舷梯的动力学模型,根据D-H参数法建立舷梯的运动学模型,根据阀控液压马达的流量方程、流量连续性方程和力平衡方程,建立液压力矩伺服模型。然后设计外环位置二阶线性自抗扰控制器和内环力矩二阶线性自抗扰控制器,并在位置自抗扰控制中引入模型辅助。最后搭建系统的仿真模型,对所设计的控制器进行仿真验证。仿真结果表明,三自由度波浪补偿舷梯控制系统对比带重力补偿的PID控制器,具有调节速度快、超调量小、抑制外界未知时变干扰和系统参数不确定性能力强等优点。     

变摩擦负载下舰炮伺服系统自抗扰控制研究

非线性、时变摩擦力是影响舰炮伺服系统低速稳定性的主要因素,为了克服摩擦力矩的不良影响,弥补传统控制策略的不足,提高伺服系统的控制性能。首先建立某型舰炮伺服系统的数学模型,并在LuGre摩擦模型的基础上引入摩擦系数来表达摩擦力的变化趋势;然后根据系统特性设计一种基于前馈补偿和模型参考线性自抗扰技术的复合器控制器,最后通过仿真实验对比分析该复合控制器和传统前馈PID控制器的控制效果。仿真结果表明,该控制器在不同的摩擦负载下均能有效避免爬行现象,与前馈PID控制效果相比启动误差减小70%以上,有效提高了系统的低速稳定性和控制精度。     

非线性船舶航向自抗扰控制器的仿真研究

良好的航向操控对于应对船舶航行环境和突发情况具有现实意义。本文首先分析非线性船舶航向控制模型,在此基础上设计自抗扰控制器,并对其参数进行调整。最后与传统的PID控制器进行仿真对比,实验结果表明二阶自抗扰控制器能准确跟踪船舶,并且航向保持控制精度高。     

自抗扰控制器在柴油机转速控制中的应用

柴油机作为转速控制系统的被控对象时,是一个非线性、时变的环节,传统PID控制效果不够理想.简要介绍了自抗扰控制技术,基于自抗扰控制技术设计了ADRC控制器.仿真结果表明,利用自抗扰控制理论设计的控制器,能有效提高调速系统精度和抗扰动能力.通过与传统PID控制器的仿真比较,体现出了ADRC控制器较小的超调量及对外界干扰有较好的抑制作用等优点.仿真时在传统PID控制器中引入了跟踪微分器,结果表明用跟踪微分器能改善PID控制器的性能.     

基于蝗虫优化算法的大型运输船舶自适应控制北大核心CSCD

[目的]海上航行环境随机复杂多变,而智能自主航行是大型远洋运输船舶发展的重要趋势,为此,提出一种新的自适应控制方法。[方法]首先,基于蝗虫优化算法(GOA),将线性二次型调节器(LQR)控制方法与一阶动态积分滑模控制方法相融合;然后,结合实时监测波浪干扰力的非线性无源估计器,将船舶高、低频运动信号进行分离;最后,与LQR控制方法和一阶动态积分滑模控制方法进行仿真对比。[结果]结果显示,新的控制方法具有更好的瞬态和稳态跟踪性能,在不同的海况下能够克服随机波浪的影响,具有较强的鲁棒性。[结论]新的控制方法具有复杂环境下的自适应调节能力,且控制响应快、精度高、无效操舵少,能极大地提高大型运输船舶的航行效率、安全性和稳定性。     

考虑横向漂移的船舶路径跟踪自抗扰控制

针对船舶运动系统中内部动态不确定和外部干扰等问题,进行了欠驱动船舶路径跟踪的自抗扰方法研究。利用Backstepping设计参考航向角,并通过线性扩张状态观测器对流干扰和横向运动引起的横向漂移进行估计。其次,根据自抗扰算法对航向进行控制,采用线性扩张状态观测器对外界干扰及内部不确定项进行估计。最后仿真结果表明,在风流干扰下所设计的控制器仍能使船准确地跟踪上参考路径,验证了所提控制方案的有效性。