石建峰李少华《自适应控制》课程设计报告.doc

自适应控制 课 程 设 计 报 告 船舶航向的模型参考自适应控制专 业： 控制工程 导航 学 号： 139030022 132030054 姓 名： 李少华 石建峰 任课教师： 翟江涛 船舶航向的模型参考自适应控制摘要：本文对基于模型参考自适应控制方法的不确定非线性系统的控制理论及其在船舶运动控制中的应用进行了研究。船舶航向控制器的设计是船舶运动控制领域内的重要研究课题之一，许多专家学者一直在致力于该方向的研究工作。但是当今大部分船舶航向控制器的设计仍然采用Nomoto线性模型，忽略了船舶操纵运动的非线性因素，未能彻底解决船舶的航向控制非线性问题。针对这一问题，本文基于模型参考自适应控制方法设计了自适应控制器，通过仿真检验，结果表明，所设计的自适应航向控制器可以较好的解决这一问题。 本文首先概述了模型参考自适应方法的基本原理和基本结构。船舶运动模型是研究船舶运动控制的基础，针对船舶模型的非线性、时变性和不确定性的特点，建立了非线性数学模型。基于模型参考自适应方法，首先设计了一种参数已知的船舶航向控制器；然后对含有不确定参数和外界干扰的船舶运动模型进行自适应控制器的设计。最后，在Matlab的Simulink下，对所设计的自适应航向控制器进行仿真检验，仿真结果表明，所设计的自适应航向控制器具有良好的控制能力。关键词：船舶航向控制器；模型参考自适应控制；自适应舵；PID自动舵；船舶 运动模型；自适应控制； 1目的和意义 目前为止，绝大多数的船舶航向控制器设计中，忽略了船舶操纵运动的非线性因素。但是，由于船舶运动特性随航速、载荷、吃水、水深等的因素变化而变化，扰动特性也随海浪、风、流等海况变化而不同，因此，船舶航向控制的数学模型与扰动模型具有明显的不确定性。 常规的PID自动操舵仪以确定性数学模型为基础，没有考虑这些变化，所以，常规的PID自动操舵仪不可能有很好的控制性能，此控制方案并没有能彻底解决船舶的航向控制问题。线性Nomoto船舶运动模型由于其结构简单且从船舶标准实验数据中获得模型参数相对容易，在船舶操纵自动舵设计中被广泛应用。然而，线性模型的有效性仅局限于涉及小舵角的航向保持操纵器的情况，采用线性模型己经不能精确的描述系统的动态响应特性。因此，在客观上提出了发展精度更高的、更完善的、适应性更强的航向控制器的要求， 而非线性控制理论和计算机技术的发展，使这种要求变为可能。目前，国内有关的自适应航向控制器的研究尚处于理论发展阶段，还存在很多问题有待解决，还有很多方面需要完善、需要改进。因此，本文的目的就是进一步探索比较完善的、比较切合实际的船舶航向控制器，希望能够推动先进的控制技术早日应用到实际的船舶航向控制中。2模型参考自适应控制算法2.1 模型参考自适应控制的基本原理 模型参考自适应在各种自适应控制方式之中是比较流行一种，它的基本原理是依据已知的被控对象结构和控制要求来设计参考模型，使参考模型的输出表达对输入指令所期望的响应，再通过参考模型输出与被控对象输出两者之间差值的某个函数准则来调整相应的控制器参数，力图使参考模型的输出与被控对象的实际输出之间的广义误差量e趋向于极小值或者减少至零，也就是使被控对象的输出向参考模型的输出无限靠近，最终达到完全一致。在这种系统中，不需要专门的在线辨识装置，用来更新控制参数的依据是广义误差向量e。 模型参考自适应控制的基本结构如下图1所示： 它主要由参考模型、自适应机构、控制器、以及被控对象组成。其中参考模型代表被控对象被期望所应该具有的特性。自适应机构的输入项就是被控对象的输出项y(t)与参考模型的输出项之间的差值e。e是广义输出误差，它的功能是确保被控对象的输出y(t)能够跟随参考模型的输出。尽可能的消除广义误差e，就可以使被控对象与参考模型同步，从而具有与参考模型相同的特性。 图 1模型参考自适应控制的基本结构2.2模型参考自适应控制的功能 (一)模型参考自适应跟随控制 如图2所示，主要由两个环路组成，内环是一个由前馈调节器、被控对象和反馈调节器组成的可调系统，由自适应机构来调节。外环由自适应机构和参考模型组成。图中r(t)为给定的输入指令信号，通称参考输入。自适应机构可以采用信号综合法调节控制，也可以调节前馈调节器与反馈调节器的参数，两种方法都可以使被控系统满足参考模型所输出的动态要求。图 2自适应模型跟随控制器(二)模型参考自适应估计器 在模型参考自适应控制系统里面，如果将参考系统定为被观测和辨识的实际系统，使参考系统被可调模型跟随，也就是通过自适应机构对可调模型的调控来与实际系统保持一致，这样就可以实现用可调模型的参数与状态去估计实际系统的参数与状态以及可调模型的参数与状态跟踪实际系统。可调模型的基本结构如图3所示。图3模型参考自适应估计器3模型参考自适应控制理论的发展过程及控制类型3.1发展过程(一)早期的设计理论主要是基于局部参数最优化理论的设计方法。这种方法首先是由Osbum、惠特科等人提出来的，也称为MIT规则。它的基本思想大同小异，即在设计自适应律时，用参数最优化方法，并依据可调系统中的某个参数在一定性能指标下取得的最小值，常用的方法是梯度法。然而这种方法最大的缺点是没有考虑反馈系统的稳定性，很容易引起整个系统的不稳定。(2) 稳定性设计理论 为了解决系统稳定性问题，Butchart、帕克斯、Phillipson、和Shachcloth等人提出了将李雅普诺夫稳定性理论应用在模型参考自适应控制系统的设计中。它的基本思想是利用李雅普诺夫函数来确定系统的自适应律使模型参考自适应控制系统渐近稳定。由于李雅普诺夫函数并不唯一，因此所选择的函数是否恰当，直接影响了自适应系统的适应速度和稳定性。 (三)输入输出设计理论输入输出的设计理论解决了系统状态不可测问题。莫诺波利推广了帕斯克的设计方案，引入了一个增广的误差信号，并结合状态变量滤波器，提出了不使用被控对象的输入、输出量导数的方法。因此，人们实现了仅使用输入、输出就可以设计出稳定的自适应控制系统。(四)鲁棒性问题的提出与发展模型参考自适应控制的鲁棒性问题就是在实际系统条件与理想条件不相同时，怎样保持系统的稳定性问题。关于模型参考自适应控制鲁棒性的研究主要分为两个方面：一方面是分析研究原有的自适应律和控制器的鲁棒性，包括机理的研究；另一方面是分析研究鲁棒性自适应方案，主要在于自适应律的改进。3.2 控制类型(一)直接模型参考自适应控制上面所说的模型参考自适应跟随控制，是直接在控制上应用了模型参考自适应技术，因此称之为直接模型参考自适应控制，也称直接式。自适应机构可以在被控对象的参数未知或变动的时候，根据被控对象与参考模型比较所得的广义误差反馈来实现校正的效果，并且直接作用在可调系统上，使被控对象的动态性能自动的调节并维持与参考模型一致。 (二)间接模型参考自适应控制 间接模型参考自适应控制是指将模型参考自适应技术仅仅作为被控对象的参数与状态的估计，实时的提供参数和反馈状态给最优控制。图4是具有可调模型的模型参考自适应辨识器的间接模型参考自适应控制。 图 4间接模型参考自适应控制框图图中，自适应机构I根据反馈的比较误差的调节，使得可调模型的参数跟随被控对象，从而得到对象参数的估计值，然后将对象参数的估计值送给自适应机构II，按照一定的标准来修正控制器。这个结构，也可以解释为可调模型和控制器组成隐含的参考模型，这个参考模型是按照一定优化标准设计的，控制器调节被控对象的输出跟随参考模型的输出。因此，这种类型也可以称作隐含模型参考自适应控制。 模型参考自适应控制系统的设计方法主要有两类：基于稳定性理论的设计方法和基于局部参数最优化的设计方法。早期，大多数情况下采用局部参数最优化的设计方法进行自适应控制系统的研究，这种方法主要存在的缺陷是很难在自适应过程中保证闭环系统的全局稳定性。采用稳定性理论的设计方法，可以选择自适应规律，从而保证系统稳定性。这种方法在自适应控制系统的研究中得到了较为广泛的使用。4船舶航向自适应控制 船舶航向控制的目的主要有二个：一个是保持航向；另一个是改变航向。它直接关系到船舶航行的操纵性，经济性，以及安全性。舵是目前在船舶航向操纵中使用最为广泛的装置，现代的船舶中都安装有自动驾驶仪来控制船舶航向，通常称之为自动操作仪或者自动舵。常规的自动操舵仪通常是基于PID控制律。其结构如下图5所示。图 5常规PID自动操舵仪结构图船舶航行在海面上，其运动特性也相应的随着航速，水深，载重，吃水深度等因素而时刻变化着，同时海风、海浪、海流等海况的变化也会引起扰动特性的改变。由此可见，船舶运动的数学模型及其干扰模型很明显的都具有很大程度的不确定性。而基于确定性数学模型设计的常规PID自动舵，没有考虑到上述的这些变化，因此它不可能具备很好的控制性能。特别是在针对海况变化问题的处理环节上，常规PID舵采取了人工调节“死区”的方法，这样不但无法有效的解决海浪高频扰动的问题，甚至还会降低航向的精度。4.1船舶航向自适应控制有关的若干问题（一）、船舶操纵特性 船舶在运行的过程中，舵角与回转率r的静态关系如下图所示。图6 r-的静态关系曲线其中图(a)：当船舶转左舵时，船体转向左边；船舶转右舵时，船体转向右边；回转率r随着舵角的增加而变大；当舵角减小为零时，船舶回转率r也为零。可以看出，这样的船舶航向是稳定的，一般称之为直线稳定情况。 图(b)中：存在一个临界舵角，当时即舵角在左右临界舵角之间的区间时，同一个舵角对应了三种状态，在这个区间中船舶运动是不稳定的，因此称之为不具有直线稳定性。不具有直线稳定性的船舶在运行时体现为左右摇摆，航迹弯弯曲曲。这就需要频繁的操舵来纠正航向的偏差，以保持航向。 图(c)中：可以看出其操纵特性在小舵角区比较陡，增幅很大，小的舵角对应大的回转率。这样的船舶在操舵时表现的过于灵活，因此也不利于船舶航向的稳定。客观上人们希望看到船舶的操纵特性像图6 (a)中那样具有直线稳定性。然而由于存在海风、海浪等等的环境干扰因素以及船舶本身各种不对称因素，总要使船舶偏离航向，所以无论对于具有直线稳定的船舶，还是不具有直线稳定的船舶，总是要不断的操舵纠正。即为前面提到的自动舵保持航向的任务。（二）、定向航行的性能指标 定向航行控制的理想化目标是能够既保持船舶运行的航向精度，又减少操舵次数和舵角。尽可能的减小由操舵和偏航所产生的附加阻力，能够提高节能指标和经济性。在不考虑扰动因素时，Norrbin推导了船舶因操舵运动和首摇而产生的附加阻力近似公式： （1）式中：相对附加阻力；平均首摇角度；与船舶相关的参数； 船舶平均舵角； 由上面(1)式可以得到船舶航向控制的二次型性能指标： （2）按照这个性能指标设计的自适应操舵也可以称为经济操舵或者最小附加阻力操舵。然而在设计自适应舵时的二次性能指标并不一定都是经济操舵指标，也有可能是考虑限制舵角和航向精度的加权性能指标。（三）、对改变航向控制的要求 回转速率与船舶航速的降低、与船体的倾斜程度、以及回转半径的大小都有直接关系，在改变船舶运行的航向时，需要依据具体的实际情况对回转速率加以选择。由公式R= V可以知道，理想状态下船舶在做回转运动时，只要船舶的航速不发生改变，那么选择回转半径和选择回转速率是完全相同的。然而船舶在回转运动时，航速必然会跟着降低。所以在实际计算中，一般都按照下式来确定： (3)式中：船舶回转中的航速； 船舶直线航行的航速； 船舶的回转半径； 船体总长度；综上所述，对改变航向控制的要求应当包含三个阶段： (1)加速阶段：为了尽快的达到所要求的回转速率，应当首先用较大的舵角使船舶加速转首。(2) 稳定回转阶段：将舵角调节到满足所要求的回转速率，使船舶能够以恒定回转速率稳定回转。(3) 制动阶段：当船舶还没有进入新的航向之前，快速的朝反方向打舵，使船舶能够迅速无超调的稳定运行在新的航向上。图7 改变船舶航向的三阶段曲线5模型参考自适应航向控制器 设计自适应舵的一个重要方案就是将模型参考自适应技术引入自适应航向控制器的设计中。其基本思想是:改变航向机动航行控制采用直接模型参考自适应控制方案，定向航行控制采用间接模型参考自适应方案。5.1航向控制器 因为是维持航向，所以转舵角较小，对航向具有直线稳定性的船舶，采用诺莫托船舶操纵模型是恰当的。其模型为： (4) 式中：均为船舶操纵参数； 为船舶舷向角的一阶导数与二阶导数，即船舶的回转率及其导数；其传递函数的形式为： （5）采用二项二次性能指标函数： （6）式中：，为设定的航向角；当参数为已知时，控制器结构如图8所示图8 航向控制器结构图5.2模型参考自适应参数辨识器 船舶在实际航行时，其参数受到船舶工况，水域深度等条件的影响而不断的改变着。因此，采用模型参考自适应辨识器来实时的辨识参数。参数辨识不一定经常进行，当信号不充分激励时，可停止工作。模型参考自适应辨识器的基本结构如图9所示。 图9模型参考自适应辨识器基本结构6仿真实验结果 基于自适应的控制理论，我们可以在MATLAB仿真软件中进行仿真实验来证明这一理论的可行性。以下为仿真的结果。根据图9模型参考自适应辨识器的基本结构图，自适应控制在MATLAB环境中的仿真图如下：图10 自适应航向控制的仿真图7结论 本课程设计在完成的时候由于在仿真时，参数不是调节的很好，经过多次调节，发现信号在合成的时候反复出现信号离散的情况，后经将里面的乘法器换成加法器的时候依旧出现这种情况，初步判断是在进行参数整定的时候没有考虑到诸多的相连环节的连续性。当调试成功之后会出现以下的结论：可以看出常规PID在初始阶段较自适应控制有很大的超调，而且在后期的运行中摆动比较频繁。通过比较可以看出自适应的航向控制效果要比常规PID的控制效果要好，它的航向偏差减小，转舵次数减少，而且平滑。这样既节省了能源，又可以使航向控制达到最优。8心得体会 通过本次的课程设计学习，我更加了解到matlab在工业工程中的实际运用，也让我对simulink的具体操作有了更深刻的印象和操作熟练度。船舶航行在海面上，其运动特性也相应的随着航速，水深，载重，吃水深度等因素而时刻变化着，同时海风、海浪、海流等海况的变化也会引起扰动特性的改变。由此可见，船舶运动的数学模型及其干扰模型很明显的都具有很大程度的不确定性。在以后的学习中，我需要机枪程序调试能力的锻炼，夯实好基础知识。