專利名稱：潛器全方位推進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器的控制方法，具體是一種潛器全方位推進器液壓操縱控制方法。
背景技術(shù)：
潛器全方位推進器是通過調(diào)整螺旋槳螺距角，來產(chǎn)生不同方向的力(矩)，從而使?jié)撈魅轿煌七M器按預(yù)期的方向運動。螺距角的調(diào)整是通過聯(lián)結(jié)到一個旋轉(zhuǎn)運動斜盤上的機械傳動裝置驅(qū)動實現(xiàn)的。所以對潛器全方位推進器的控制是通過對斜盤的控制實現(xiàn)的。運動斜盤的轉(zhuǎn)動用三個液壓油缸的位移運動完成，將三個液壓油缸位移運動的組合轉(zhuǎn)換成運動斜盤空間三個自由度的運動(兩個旋轉(zhuǎn)角，一個位移)，而每個液壓油缸的位移運動是由一個閉環(huán)電液伺服系統(tǒng)來控制和驅(qū)動的。為滿足運動斜盤空間位置和運動姿態(tài)的要求，就要把三個獨立的電液伺服系統(tǒng)有機地協(xié)調(diào)起來，使其按照設(shè)計的要求，實現(xiàn)三個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動姿態(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器正常工作的保證。針對電液伺服系統(tǒng)PID控制器參數(shù)難以確定等問題，可采用遺傳算法對PID調(diào)節(jié)參數(shù)進行尋優(yōu)，但傳統(tǒng)的基本遺傳算法通常會帶來遺傳算法的欺騙問題，即早熟問題和進化緩慢問題。對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)度值進行自動調(diào)整的自適應(yīng)遺傳算法對PID控制器中的參數(shù)進行自動選取。自適應(yīng)遺傳算法有很強的搜索能力，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)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻檢索發(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報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種對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器單通道電液位置伺服控制方法主要包括模型辨識、控制參數(shù)優(yōu)化、位置偏差檢測環(huán)節(jié)；當(dāng)潛器處于某一海況下，通過辨識得出潛器全方位推進器運動的數(shù)學(xué)模型，并在所述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進行遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的操作，將優(yōu)化所得的參數(shù)賦給實際的潛器全方位推進器控制系統(tǒng)，潛器在所述優(yōu)化所得的參數(shù)下進行姿態(tài)調(diào)整或動作；在調(diào)整過程中，不斷檢測螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計值，若海情發(fā)生變化，潛器運動方程的參數(shù)隨之改變，當(dāng)潛器運動方程的參數(shù)值超出設(shè)定范圍時，重新辨識模型并再次優(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PID控制器的三個控制參數(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行二進制編碼得到三個字串，再把三個字串連成一串構(gòu)成遺傳空間中的個體；隨機生成一定數(shù)量的個體，由遺傳算法對每個個體進行適應(yīng)度評估，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各個體進行操作產(chǎn)生新的個體，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)個體適應(yīng)度情況自適應(yīng)變化的，新的個體再進行適應(yīng)度評估以及遺傳操作，反復(fù)循環(huán)直至滿足優(yōu)化準(zhǔn)則。所述不斷檢測螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計值的方法為螺距角偏差檢測環(huán)節(jié)通過每段時間間隔內(nèi)螺距角偏差的標(biāo)準(zhǔn)差來表述，若有螺距角偏差的標(biāo)準(zhǔn)差小于檢測螺距角偏差統(tǒng)計值K，則認(rèn)為控制系統(tǒng)在該段時間間隔內(nèi)的潛器姿態(tài)或動作控制精度滿足要求，系統(tǒng)繼續(xù)運行；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)，此時重新辨識模型，進行新一輪的PID參數(shù)優(yōu)化操作。 本發(fā)明的特點在于潛器全方位推進器單通道電液位置伺服控制系統(tǒng)根據(jù)海情變化，利用改進遺傳算法自適應(yīng)調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)，達到控制系統(tǒng)精度要求。若海情發(fā)生變化，則通過系統(tǒng)辨識環(huán)節(jié)得到潛器全方位推進器姿態(tài)運動的數(shù)學(xué)模型，并在該模型的基礎(chǔ)上利用自適應(yīng)遺傳算法對傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的PID控制器進行優(yōu)化設(shè)計，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)生變化時也能很快根據(jù)要求進行參數(shù)調(diào)節(jié)，滿足系統(tǒng)在實際工作中的需求，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帶來遺傳算法的欺騙問題，最后將優(yōu)化結(jié)果賦予實際的潛器全方位推進器姿態(tài)控制系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點在于潛器全方位推進器單通道電液位置伺服系統(tǒng)是一種復(fù)雜的機、電、液耦合系統(tǒng)，存在著非線性、不確定性、外界干擾，由于對電液位置伺服系統(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)相比對于海情的變化具有較好的自適應(yīng)功能，同時，由于參數(shù)整定及時，有效地抑制了潛器全方位推進器電液位置幅值的增大，節(jié)約了系統(tǒng)能耗。該系統(tǒng)簡單、易于實現(xiàn)，具有工程應(yīng)用價值。


圖I潛器全方位推進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。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(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環(huán)節(jié)、系統(tǒng)辨識環(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態(tài)特性，采用誤差絕對值時間積分性能指標(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。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，此時最優(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)為對象輸出。對PID控制器三個參數(shù)kp、kp kd分別選取二進制串來表示，并建立與參數(shù)間的關(guān)系，再把三個二進制串連起來就組成一個長的二進制字串，該字串為自適應(yīng)遺傳算法可以操作的對象；PID運動控制器中N取30，M取10，即種群內(nèi)的個體個數(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，從而每個個體總長度為3 X 10 = 30位；為了使PID控制器的控制效果更好，將控制量、誤差和上升時間作為約束條件的目標(biāo)函數(shù)，因為適應(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，所對應(yīng)的控制器參數(shù)；kp、ki、kd組成的初始種群進行的操作，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。其中檢測螺距角偏差統(tǒng)計值K的大小反映了對潛器全方位推進器控制效果的要求，當(dāng)潛器運行環(huán)境海情變化復(fù)雜，為了避免系統(tǒng)頻繁的辨識和優(yōu)化操作，可適當(dāng)增大K值，使?jié)撈骺刂频木冉档?，檢測環(huán)節(jié)需要注意的問題是檢測時間的大小和K值的選取。檢測時間過長，顯然不利于及時控制潛器姿態(tài)；檢測時間過短，則容易受不確定干擾的影響，導(dǎo)致不必要的辨識操作和優(yōu)化操作。K值的選取需要通過大量的實驗并結(jié)合對潛器全方位推進器控制精度的要求來確定。結(jié)合圖2、圖3，自適應(yīng)遺傳算法中使用樣本個數(shù)為30，為避免在應(yīng)用遺傳算法時參數(shù)選取范圍過大，首先通過經(jīng)驗選取參數(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的方波信號時，潛器全方位推進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器單通道電液位置伺服控制方法，主要包括模型辨識、控制參數(shù)優(yōu)化、位置偏差檢測環(huán)節(jié)；其特征是當(dāng)潛器處于某一海況下，通過辨識得出潛器全方位推進器運動的數(shù)學(xué)模型，并在所述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進行遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的操作，將優(yōu)化所得的參數(shù)賦給實際的潛器全方位推進器控制系統(tǒng)，潛器在所述優(yōu)化所得的參數(shù)下進行姿態(tài)調(diào)整或動作；在調(diào)整過程中，不斷檢測螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計值，若海情發(fā)生變化，潛器運動方程的參數(shù)隨之改變，當(dāng)潛器運動方程的參數(shù)值超出設(shè)定范圍時，重新辨識模型并再次優(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PID控制器的三個控制參數(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行ニ進制編碼得到三個字串，再把三個字串連成一串構(gòu)成遺傳空間中的個體；隨機生成一定數(shù)量的個體，由遺傳算法對每個個體進行適應(yīng)度評估，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各個體進行操作產(chǎn)生新的個體，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)個體適應(yīng)度情況自適應(yīng)變化的，新的個體再進行適應(yīng)度評估以及遺傳操作，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器單通道電液位置伺服控制方法，其特征是所述不斷檢測螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計值的方法為螺距角偏差檢測環(huán)節(jié)通過每段時間間隔內(nèi)螺距角偏差的標(biāo)準(zhǔn)差來表述，若有螺距角偏差的標(biāo)準(zhǔn)差小于檢測螺距角偏差統(tǒng)計值K，則認(rèn)為控制系統(tǒng)在該段時間間隔內(nèi)的潛器姿態(tài)或動作控制精度滿足要求，系統(tǒng)繼續(xù)運行；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)，此時重新辨識模型，進行新ー輪的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器單通道電液位置伺服控制方法。主要包括模型辨識、控制參數(shù)優(yōu)化、位置偏差檢測環(huán)節(jié)；當(dāng)潛器處于某一海況下，通過辨識得出潛器全方位推進器運動的數(shù)學(xué)模型，并在所述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進行遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的操作，將優(yōu)化所得的參數(shù)賦給實際的潛器全方位推進器控制系統(tǒng)，潛器在所述優(yōu)化所得的參數(shù)下進行姿態(tài)調(diào)整或動作；在調(diào)整過程中，不斷檢測螺距角偏差的數(shù)據(jù)統(tǒng)計值，若海情發(fā)生變化，潛器運動方程的參數(shù)隨之改變，當(dāng)潛器運動方程的參數(shù)值超出設(shè)定范圍時，重新辨識模型并再次優(yōu)化PID參數(shù)。本發(fā)明對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)簡單、易于實現(xiàn)，具有工程應(yīng)用價值。
文檔編號G05B13/04GK102636994SQ201210124329
公開日2012年8月15日 申請日期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, 王宇超, 趙凱岐, 鄭秀麗 申請人:哈爾濱工程大學(xué)