專利名稱：潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水下潛器推進(jìn)器的控制方法，具體是一種潛器全方位推進(jìn)器液壓操縱控制方法。
背景技術(shù)：
潛器全方位推進(jìn)器是通過調(diào)整螺旋槳螺距角，來(lái)產(chǎn)生不同方向的力(矩)，從而使?jié)撈魅轿煌七M(jìn)器按預(yù)期的方向運(yùn)動(dòng)。螺距角的調(diào)整是通過聯(lián)結(jié)到一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)斜盤上的機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。所以對(duì)潛器全方位推進(jìn)器的控制是通過對(duì)斜盤的控制實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動(dòng)斜盤的轉(zhuǎn)動(dòng)用三個(gè)液壓油缸的位移運(yùn)動(dòng)完成，將三個(gè)液壓油缸位移運(yùn)動(dòng)的組合轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)斜盤空間三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)(兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角，一個(gè)位移)，而每個(gè)液壓油缸的位移運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)閉環(huán)電液伺服系統(tǒng)來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)的。為滿足運(yùn)動(dòng)斜盤空間位置和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的要求，就要把三個(gè)獨(dú)立的電液伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來(lái)，使其按照設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)三個(gè)液壓缸伸縮程度和伸縮速度的不同組合，決定斜盤在3維空間的不同位置和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，而單通道電液位置伺服系統(tǒng)的控制精度是潛器全方位推進(jìn)器正常工作的保證。針對(duì)電液伺服系統(tǒng)PID控制器參數(shù)難以確定等問題，可采用遺傳算法對(duì)PID調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，但傳統(tǒng)的基本遺傳算法通常會(huì)帶來(lái)遺傳算法的欺騙問題，即早熟問題和進(jìn)化緩慢問題。對(duì)于基本遺傳算法存在的問題，采用交叉概率和變異概率可以根據(jù)適應(yīng)度值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整的自適應(yīng)遺傳算法對(duì)PID控制器中的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)選取。自適應(yīng)遺傳算法有很強(qiáng)的搜索能力，從而為尋找全局最優(yōu)解提供了保障，為解決PID的參數(shù)選取問題提供了一條有效的途徑，從而提高了電液伺服控制系統(tǒng)的控制精度和魯棒性。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，(有遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)，但沒有在潛器全方位推進(jìn)器電液系統(tǒng)中的應(yīng)用)沒有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明主題相同或類似的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)于海情的變化具有較好的自適應(yīng)功能，能節(jié)約系統(tǒng)能耗的潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制方法主要包括模型辨識(shí)、控制參數(shù)優(yōu)化、位置偏差檢測(cè)環(huán)節(jié)；當(dāng)潛器處于某一海況下，通過辨識(shí)得出潛器全方位推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在所述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的操作，將優(yōu)化所得的參數(shù)賦給實(shí)際的潛器全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)，潛器在所述優(yōu)化所得的參數(shù)下進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整或動(dòng)作；在調(diào)整過程中，不斷檢測(cè)螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值，若海情發(fā)生變化，潛器運(yùn)動(dòng)方程的參數(shù)隨之改變，當(dāng)潛器運(yùn)動(dòng)方程的參數(shù)值超出設(shè)定范圍時(shí)，重新辨識(shí)模型并再次優(yōu)化PID參數(shù)。 所述遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的方法為
首先對(duì)PID控制器的三個(gè)控制參數(shù)比例系數(shù)kp、積分系數(shù)kp微分系數(shù)1^按一定的取值范圍進(jìn)行二進(jìn)制編碼得到三個(gè)字串，再把三個(gè)字串連成一串構(gòu)成遺傳空間中的個(gè)體；隨機(jī)生成一定數(shù)量的個(gè)體，由遺傳算法對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)估，以此作為選擇操作的依據(jù)，再根據(jù)交叉概率和變異概率對(duì)各個(gè)體進(jìn)行操作產(chǎn)生新的個(gè)體，自適應(yīng)遺傳算法的交叉概率和變異概率不是固定不變的，而是根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度情況自適應(yīng)變化的，新的個(gè)體再進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)估以及遺傳操作，反復(fù)循環(huán)直至滿足優(yōu)化準(zhǔn)則。所述不斷檢測(cè)螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值的方法為螺距角偏差檢測(cè)環(huán)節(jié)通過每段時(shí)間間隔內(nèi)螺距角偏差的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表述，若有螺距角偏差的標(biāo)準(zhǔn)差小于檢測(cè)螺距角偏差統(tǒng)計(jì)值K，則認(rèn)為控制系統(tǒng)在該段時(shí)間間隔內(nèi)的潛器姿態(tài)或動(dòng)作控制精度滿足要求，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；反之則認(rèn)為系統(tǒng)控制精度不滿足要求，說明PID參數(shù)已不適合潛器控制系統(tǒng)，此時(shí)重新辨識(shí)模型，進(jìn)行新一輪的PID參數(shù)優(yōu)化操作。 本發(fā)明的特點(diǎn)在于潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制系統(tǒng)根據(jù)海情變化，利用改進(jìn)遺傳算法自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)，達(dá)到控制系統(tǒng)精度要求。若海情發(fā)生變化，則通過系統(tǒng)辨識(shí)環(huán)節(jié)得到潛器全方位推進(jìn)器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在該模型的基礎(chǔ)上利用自適應(yīng)遺傳算法對(duì)傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化后PID控制器，在不需要給出調(diào)節(jié)器初始參數(shù)的情況下，仍能尋找到合適的參數(shù)，使控制目標(biāo)滿足要求，并有效提高控制效率，并在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)也能很快根據(jù)要求進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，滿足系統(tǒng)在實(shí)際工作中的需求，解決許多自整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而非連續(xù)的自整定模式，克服傳統(tǒng)的基本遺傳算法通常會(huì)帶來(lái)遺傳算法的欺騙問題，最后將優(yōu)化結(jié)果賦予實(shí)際的潛器全方位推進(jìn)器姿態(tài)控制系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服系統(tǒng)是一種復(fù)雜的機(jī)、電、液耦合系統(tǒng)，存在著非線性、不確定性、外界干擾，由于對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)控制品質(zhì)要求較高，傳統(tǒng)的基于線性定常的PID控制已不能滿足控制品質(zhì)的需要，提出了一種帶有智能協(xié)調(diào)控制器的常規(guī)PID控制、遺傳算法尋優(yōu)策略相結(jié)合的潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服智能控制方法。該方法與基于單純PID控制系統(tǒng)相比對(duì)于海情的變化具有較好的自適應(yīng)功能，同時(shí)，由于參數(shù)整定及時(shí)，有效地抑制了潛器全方位推進(jìn)器電液位置幅值的增大，節(jié)約了系統(tǒng)能耗。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，具有工程應(yīng)用價(jià)值。


圖I潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制算法流程圖；圖2a-圖2b自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化電液位置伺服PID控制器參數(shù)過程示意圖；圖3電液位置伺服控制系統(tǒng)方波響應(yīng)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述結(jié)合圖1，通過在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上引入航向誤差檢測(cè)環(huán)節(jié)、系統(tǒng)辨識(shí)環(huán)節(jié)和遺傳算法優(yōu)化環(huán)節(jié)，既利用了遺傳算法對(duì)PID參數(shù)的優(yōu)化功能，又使航向保持系統(tǒng)能夠自適應(yīng)的工作。
為獲取滿意的過渡過程動(dòng)態(tài)特性，采用誤差絕對(duì)值時(shí)間積分性能指標(biāo)作為參數(shù)選擇的最小目標(biāo)函數(shù)。為了防止控制能量過大，在目標(biāo)函數(shù)中加入控制輸入平方項(xiàng)。選用下式作為參數(shù)選取的最優(yōu)指標(biāo) 式中，e(t)為系統(tǒng)誤差，u(t)為控制器輸出，tu為上升時(shí)間，(O1, ω2, (03為權(quán)值。為了避免超調(diào)，采用了懲罰功能，即一旦產(chǎn)生超調(diào)，將超調(diào)量作為最優(yōu)指標(biāo)的一項(xiàng)，此時(shí)最優(yōu)指標(biāo)J為式中，ω4為權(quán)值，且 ω4>> Co1，超調(diào)量 ey(t) = y (t)-y (t_l), y (t)為對(duì)象輸出。對(duì)PID控制器三個(gè)參數(shù)kp、kp kd分別選取二進(jìn)制串來(lái)表示，并建立與參數(shù)間的關(guān)系，再把三個(gè)二進(jìn)制串連起來(lái)就組成一個(gè)長(zhǎng)的二進(jìn)制字串，該字串為自適應(yīng)遺傳算法可以操作的對(duì)象；PID運(yùn)動(dòng)控制器中N取30，M取10，即種群內(nèi)的個(gè)體個(gè)數(shù)為30，比例系數(shù)&、積分系數(shù)h、微分系數(shù)kd的精度分別取10位，從而每個(gè)個(gè)體總長(zhǎng)度為3 X 10 = 30位；為了使PID控制器的控制效果更好，將控制量、誤差和上升時(shí)間作為約束條件的目標(biāo)函數(shù)，因?yàn)檫m應(yīng)度函數(shù)同目標(biāo)函數(shù)相關(guān)，所以目標(biāo)函數(shù)確定后，直接將其倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，最優(yōu)的控制參數(shù)也就是在滿足約束條件下使最優(yōu)指標(biāo)J最小時(shí)，所對(duì)應(yīng)的控制器參數(shù)；kp、ki、kd組成的初始種群進(jìn)行的操作，在是遺傳算法主程序的主要部分，包括選擇、交叉和變異三個(gè)步驟，在基本遺傳算法中，選擇、交叉和變異的取值是固定的，在改進(jìn)遺傳算法中，它們的取值是自適應(yīng)變化的，通過三種遺傳算子的操作，種群進(jìn)化一代，從而可以將新一代的種群帶入PID算法子程序以獲得新的適應(yīng)度值。其中檢測(cè)螺距角偏差統(tǒng)計(jì)值K的大小反映了對(duì)潛器全方位推進(jìn)器控制效果的要求，當(dāng)潛器運(yùn)行環(huán)境海情變化復(fù)雜，為了避免系統(tǒng)頻繁的辨識(shí)和優(yōu)化操作，可適當(dāng)增大K值，使?jié)撈骺刂频木冉档停瑱z測(cè)環(huán)節(jié)需要注意的問題是檢測(cè)時(shí)間的大小和K值的選取。檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)，顯然不利于及時(shí)控制潛器姿態(tài)；檢測(cè)時(shí)間過短，則容易受不確定干擾的影響，導(dǎo)致不必要的辨識(shí)操作和優(yōu)化操作。K值的選取需要通過大量的實(shí)驗(yàn)并結(jié)合對(duì)潛器全方位推進(jìn)器控制精度的要求來(lái)確定。結(jié)合圖2、圖3，自適應(yīng)遺傳算法中使用樣本個(gè)數(shù)為30，為避免在應(yīng)用遺傳算法時(shí)參數(shù)選取范圍過大，首先通過經(jīng)驗(yàn)選取參數(shù)，并分別設(shè)定PID控制器比例系數(shù)kp的取值范圍為
,積分系數(shù)Iii取值范圍為
,微分系數(shù)kd取值范圍為[O, 2],適應(yīng)度函數(shù)取權(quán)值O1 = 0.999，ω2 = 0.001，ω3 = 100, ω4 = 2· O ;進(jìn)化代數(shù)設(shè)定為100，交叉概率Pc和變異概率Pm能夠隨適應(yīng)度自動(dòng)改變；在設(shè)定海情下，算法經(jīng)過100代迭代后，PID控制器參數(shù)整定結(jié)果為比例系數(shù)kp = 58. 5696，積分系數(shù)Iii = O. 4938，微分系數(shù)kd = O. 1304，最優(yōu)指標(biāo)J = 19. 7706 ;當(dāng)系統(tǒng)輸入幅值為I的方波信號(hào)時(shí)，潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服系統(tǒng)跟蹤結(jié)果能夠保持很好的控制效果，滿足了系統(tǒng)在實(shí)際工作中的需求；由此可以看出，經(jīng)自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化的PID控制器在不需要給出初始參數(shù)的情況下，仍能尋找到合適的參數(shù)，使控制目標(biāo)滿足要求，可有效提高控制效率。
權(quán)利要求
1.一種潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制方法，主要包括模型辨識(shí)、控制參數(shù)優(yōu)化、位置偏差檢測(cè)環(huán)節(jié)；其特征是當(dāng)潛器處于某一海況下，通過辨識(shí)得出潛器全方位推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在所述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的操作，將優(yōu)化所得的參數(shù)賦給實(shí)際的潛器全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)，潛器在所述優(yōu)化所得的參數(shù)下進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整或動(dòng)作；在調(diào)整過程中，不斷檢測(cè)螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值，若海情發(fā)生變化，潛器運(yùn)動(dòng)方程的參數(shù)隨之改變，當(dāng)潛器運(yùn)動(dòng)方程的參數(shù)值超出設(shè)定范圍時(shí)，重新辨識(shí)模型并再次優(yōu)化PID參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制方法，其特征是所述遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的方法為首先對(duì)PID控制器的三個(gè)控制參數(shù)比例系數(shù)kp、積分系數(shù)も、微分系數(shù)匕按一定的取值范圍進(jìn)行ニ進(jìn)制編碼得到三個(gè)字串，再把三個(gè)字串連成一串構(gòu)成遺傳空間中的個(gè)體；隨機(jī)生成一定數(shù)量的個(gè)體，由遺傳算法對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)估，以此作為選擇操作的依據(jù)，再根據(jù)交叉概率和變異概率對(duì)各個(gè)體進(jìn)行操作產(chǎn)生新的個(gè)體，自適應(yīng)遺傳算法的交叉概率和變異概率不是固定不變的，而是根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度情況自適應(yīng)變化的，新的個(gè)體再進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)估以及遺傳操作，反復(fù)循環(huán)直至滿足優(yōu)化準(zhǔn)則。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制方法，其特征是所述不斷檢測(cè)螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值的方法為螺距角偏差檢測(cè)環(huán)節(jié)通過每段時(shí)間間隔內(nèi)螺距角偏差的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表述，若有螺距角偏差的標(biāo)準(zhǔn)差小于檢測(cè)螺距角偏差統(tǒng)計(jì)值K，則認(rèn)為控制系統(tǒng)在該段時(shí)間間隔內(nèi)的潛器姿態(tài)或動(dòng)作控制精度滿足要求，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；反之則認(rèn)為系統(tǒng)控制精度不滿足要求，說明PID參數(shù)已不適合潛器控制系統(tǒng)，此時(shí)重新辨識(shí)模型，進(jìn)行新ー輪的PID參數(shù)優(yōu)化操作。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種潛器全方位推進(jìn)器單通道電液位置伺服控制方法。主要包括模型辨識(shí)、控制參數(shù)優(yōu)化、位置偏差檢測(cè)環(huán)節(jié)；當(dāng)潛器處于某一海況下，通過辨識(shí)得出潛器全方位推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在所述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的操作，將優(yōu)化所得的參數(shù)賦給實(shí)際的潛器全方位推進(jìn)器控制系統(tǒng)，潛器在所述優(yōu)化所得的參數(shù)下進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整或動(dòng)作；在調(diào)整過程中，不斷檢測(cè)螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值，若海情發(fā)生變化，潛器運(yùn)動(dòng)方程的參數(shù)隨之改變，當(dāng)潛器運(yùn)動(dòng)方程的參數(shù)值超出設(shè)定范圍時(shí)，重新辨識(shí)模型并再次優(yōu)化PID參數(shù)。本發(fā)明對(duì)于海情的變化具有較好的自適應(yīng)功能，且節(jié)約了系統(tǒng)能耗。系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，具有工程應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102636994SQ201210124329
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者傅薈璇, 劉勝, 張紅梅, 李冰, 李芃, 杜春陽(yáng), 王宇超, 趙凱岐, 鄭秀麗 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)