clf 航向控制器抗风性能研究
基于模型预测控制的帆板姿态与航向控制系统设计
基于模型预测控制的帆板姿态与航向控制系统设计1. 引言在现代航行中，帆板作为一种环保、节能的航行工具，越来越受到关注和应用。
帆板的姿态与航向控制对于帆板航行的性能和安全至关重要。
本文将基于模型预测控制（MPC）方法，设计帆板姿态与航向控制系统，以实现高效、准确的帆板航行控制。
2. 帆板建模与分析为了设计控制系统，首先需要对帆板进行建模与分析。
帆板姿态受到风速方向和大小、船体运动等多种因素的影响，其中风速方向和大小是较为重要的变量。
可以采用经典的帆板动力学方程对帆板进行建模，并结合实际环境中的气象数据和传感器信息进行参数估计。
建模完成后，可以通过仿真方法验证模型的准确性和稳定性。
3. 模型预测控制原理模型预测控制是一种基于优化和预测的控制方法，能够在系统约束条件下优化控制输入，以实现最佳的控制效果。
在本文中，将采用模型预测控制方法进行帆板姿态与航向的控制。
具体流程如下：(1) 建立状态空间模型：根据帆板的姿态和航向信息，建立状态空间模型，包括状态变量、系统动力学方程和输出方程。
(2) 预测模型生成：基于建立的状态空间模型，生成用于预测的模型。
(3) 优化问题定义：定义帆板姿态与航向的优化目标和约束条件。
(4) 控制输入优化：通过求解优化问题，得到最优的控制输入。
(5) 控制器设计：根据优化得到的控制输入，设计合适的控制器。
(6) 重复执行：根据实际反馈信息，不断重复步骤(2)-(5)，实现闭环控制。
4. 控制系统设计根据模型预测控制原理，我们可以设计帆板姿态与航向控制系统。
控制系统包括传感器采集模块、状态估计模块、控制模块和执行模块等。
(1) 传感器采集模块：用于采集帆板姿态和航向的传感器数据，如陀螺仪、加速度计和磁力计等。
(2) 状态估计模块：基于传感器数据，通过滤波和估计算法实时估计帆板的姿态和航向，得到系统的状态信息。
(3) 控制模块：根据当前状态信息和模型预测控制原理，计算出最优的控制输入。
风力发电网侧变流器控制策略研究
风力发电网侧变流器控制策略研究摘要风力发电作为一种有效的可再生能源利用形式，近年来越来越受到关注，网侧变流器在风电机组运行过程中一直扮演着很重要的角色。
本文围绕网侧变流器的控制展开研究，以带LCL型滤波器的三相电压型PWM变流器（LCL-VSC）拓扑作为网侧变流器研究对象。
首先在平衡电网条件下建立了LCL-VSC的三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型，为控制策略分析和控制系统设计提供了理论依据。
提出了风力发电应用中具有LCL滤波器的网侧变流器的一种多环控制结构，该结构采用电压外环外加三个逐层利用的电流内环，实现稳定的直流电压以及电流的前馈解耦和单位功率因数控制。
同时，给出了基于复功率理论的电容电压估计方法，减少了传感器数量。
为了在电网不平衡条件下对LCL-VSC有效的控制，必须计算不平衡的正负序相位。
本文提出了一种新颖的基于电网不平衡的锁相思路，既可以计算正序相位角也可以计算负序相位角，用于LCL--VSC的不平衡控制。
这种方案的主要思路是：先从不平衡电网中提取出正负序分量，然后对正负序三相电压采用SFR-SPLL分别锁相，计算出正负序相位角。
建立了在不平衡电网条件下LCL-VSC的数学模型，三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型。
给出了基于LCL滤波器的不平衡电流指令算法。
按照不同的控制要求，可以分别实现了电网不平衡时网侧电流对称控制，或者抑制直流侧二次纹波控制。
完成了15kVA的LCL-VSC实验样机平台的搭建和调试。
通过仿真和实验结果验证了理论分析与设计的正确性。
关键词：风力发电；LCL；VSC；不平衡；多环控制Research on Control Strategy of Grid-side Converterfor Wind Power GenerationABSTRACTThe wind power generation is a kind of effective renewable energy source, which is received more and more attention in recent years. The grid-side converter plays a very important role in the wind power generation. This thesis does some research on control strategy of the grid-side converter, taking three-phase voltage source PWM converter with LCL filter (LCL-VSC) as the object of study. Firstly, under the balanced voltage condition, LCL-VSC mathematical model is established in the three-phase static and two-phase rotate coordinates, to provide the theory for the control strategy analysis and the control system design.Then a multiloop control scheme is proposed for LCL-VSC. Within this scheme, 3 cascaded inner current loops along with an outer voltage loop are used to achieve stable dc-link voltage, currents decoupling and feedforward, as well as the unity power factor control. With this scheme, the capacitor voltage estimation is performed with complex power theory resulting the omission of the transducers for the capacitor voltage measurement.To control the LCL-VSC effectively under unbalanced grid condition, the positive and negative sequence phase should be calculated. This thesis proposed a novel phase locked loop (PLL) based on the unbalanced grid condition, which may calculate the positive sequence phase angle and the negative sequence phase angle, used for LCL-VSC unbalanced control. The main idea of this method is first to draw the posive and negative sequence components under the unbalanced grid condition, then to get the phases of positive and negative sequence with the SFR-SPLL separately.The LCL-VSC mathematical model for unbalanced control is established under unbalanced grid condition. The reference current algorithm is given based on the LCL-VSC. For different purposes, it can be realized either symmetrical grid-side current or constant DC-side voltage without twice order ripple.Finally, a 15kVA LCL-VSC experimental system is established. The simulation and the experimental result verify the theoretical analysis and the design.Keywords: Wind power generation; LCL; VSC; unbalance; Multi-loop control目录第一章绪论 (1)1.1论文的研究背景和选题意义 (1)1.1.1风力发电及其意义 (1)1.1.2国内外风电产业发展概况 (1)1.1.3风力发电变流器的产业现状 (2)1.1.4论文的选题意义 (3)1.2风力发电中的网侧变流器研究现状 (3)1.2.1风力发电中的电气系统 (3)1.2.2网侧变流器的拓扑结构 (5)1.2.3网侧变流器控制策略的研究现状 (6)1.3本论文的主要目标和主要工作 (8)第二章基于LCL-VSC网侧变流器建模与控制 (9)2.1引言 (9)2.2三相LCL-VSC数学模型 (10)2.2.1三相静止(a , b, c)坐标系下的数学模型 (11)2.2.2两相静止坐标系(D, Q)下的数学模型 (12)2.2.3两相旋转坐标系(d, q)下的数学模型 (14)2.3LCL-VSC多环控制策略 (14)2.3.1系统控制结构 (17)2.3.2并网电流指令算法 (18)2.3.3电流控制器设计与稳定性校验 (20)2.3.4直流电压环控制器设计 (25)2.3.5基于复功率理论的电容电压估计 (26)2.4多环控制策略仿真与分析 (27)2.4.1电流环仿真 (28)2.4.2电压环仿真 (30)2.5总结 (30)第三章电网不平衡及其关键问题研究 (31)3.1引言 (31)3.2三相电网不平衡 (32)3.2.1电网不平衡理论分析 (32)3.2.2不平衡系统的研究方法 (33)3.2.3正负序检测 (35)3.3软件锁相环（SSFR-SPLL）及其设计 (41)3.3.1基本原理 (41)3.3.2PLL模型的简化 (43)3.3.3参数计算 (44)3.4基于双SFR_SPLL在不平衡电网中的应用 (48)3.4.1基本结构 (48)3.4.2仿真分析 (49)3.5总结 (51)第四章LCL-VSC不平衡控制策略 (52)4.1引言 (52)4.2不平衡电网下VSC数学模型 (52)4.2.1三相静止坐标系(a-b-c)下的数学模型 (53)4.2.2同步旋转坐标系(d, q)下的数学模型 (55)4.3电网不平衡时电流指令算法 (58)4.4双矢量电流控制策略研究 (61)4.4.1系统控制结构 (61)4.4.2抑制网侧负序电流的控制策略 (62)4.4.3抑制直流侧二次纹波的控制策略 (63)4.5仿真分析 (64)4.6总结 (65)第五章系统设计及实验分析 (66)5.1LCL-VSC样机设计 (66)5.1.1主电路参数选择 (67)5.1.2IPM模块选择 (67)5.1.3控制模块处理器的选择 (68)5.1.4功能模块电路设计 (69)5.1.5试验系统软件设计 (72)5.2系统实验结果分析 (75)5.2.1平衡电网VSC控制 (75)5.2.2不平衡电网与锁相环 (76)5.2.3不平衡电网VSC双电流环控制 (77)第六章总结与展望 (79)6.1总结 (79)6.2展望 ................................................................... 错误！未定义书签。
基于PLC的风力发电机偏航控制系统设计
基于ＰLC的风力发电机偏航控制系统设计摘要由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注,因此清洁绿色的风力发电技术已深受全世界的重视。
本设计主要研究的偏航系统是风力发电机组的重要组成部分。
由于偏航机构安装在机舱底部,通过偏航轴承与机舱相连。
当风向改变时,风向仪将信号传到控制系统,控制驱动装置工作，小齿轮在大齿圈上转动,从而带动机舱旋转，是风轮对准风向。
当机舱的旋转方向有接近开关进行检测,当机舱向同一方向达到极限偏航角度时，限位开关会及时将信号传到控制装置内，控制装置会迅速发出信号使机组快速停机,并反转解缆,经过上述过程从而实现偏航控制使风轮始终保持迎风状态。
根据边行系统的工作原理本设计所要解决的基本问题有：1、实现自动偏航控制及手动偏航控制的双控制系统设计2、设计偏航系统的制动装置以及扭缆、解缆保护装置的控制方法3、了解偏航液压系统的作用、工作原理和控制方法。
4、编写驱动控制程序、扭缆、解缆保护程序。
关键词:风向,自动偏航,风向仪,偏航电机Ｄesｉgnｏf Yａw Conｔrｏl SysteｍfoｒWindMotor Bａｓed on ＰＬCABSTRＡCTＣleaｎａnｄgreen wｉnd power ｔｅchnｏｌogy has gotteｎgreat atｔeｎtｉon ｂyｔｈe worlｄbecause ofｔｈe ｉncreasingly exhａustｅｄfossil ｒesourcｅs aｎｄthe ｍore ａtteｎtioｎon the ｇloｂal envｉｒｏnｍｅｎｔaｌｄeｇraｄａtion。
Ｔhis ｄesi ｇn ｍａｉnly reｓeａrchｅsｔｈe yaw ｓystem which iｓan imｐortanｔｃompoｎent of ｔhｅwiｎｄｔuｒbine。
Beｃausｅthe yaw mechaｎiｓｍinstallｅd at the bｏttoｍofｔhe enｇineｒoom ａn ｄconneｃｔｅd tｏthｅenginｅroom through ｔhe ｙａw ｂeａri ｎｇ. When ｔhｅwｉnｄchａnges, wiｎd ｖane wilｌｓｅnｄthe siｇnal ｔo ｔhe cｏntroｌsysｔem ｔｏｃoｎｔｒol tｈe drivｅwork．Tｈe pinion rotated ｏn tｈe ｂｉg gｅａr rｉng，whｉch ca ｎtuｒｎｔhe enｇｉne rｏｏm to ｍaｋe thｅwｉnd wheel ｔuｒbines on the diｒｅctｉon of tｈｅwｉnd．When tｈe ｒevolving direcｔｉon of the engｉｎe rooｍisｃloseｄｔo the swｉtcｈto do deｔｅｃtｉon and the enｇine ｒｏom ｒeａchｅs thｅmａｘimｕm yaｗａngｌe tｏthe samｅdiｒection,the liｍited switｃh willｓend the signals to the controｌdevｉｃｅin time. Thｅn the coｎtrol ｄevｉce could quickly ｓenｄａsｉgnal tｏmake the set quｉck stｏp ａnd ｔurn over thｅcast loop．Aｆteｒａｂovｅthe pｒoceｓs，it will ｒeaｌize the yaw cｏntrol aｎｄmaｋe the wｉnd ｗheｅl keeｐthe state oｆｆacinｇthe wiｎd。
基于PID的船舶航向控制
２ 基于 Ｐ Ｉ Ｄ 的船舶 航 向控 制器 的设 计
２ ． １ 船舶操纵运动的数学模型的建立 在船舶航向控制器设计中 ， 船舶航 向控制系统模型一般采用线性 的一阶野本谦作模型 ， 如式 （ ２ ） 所示。
＋ ＝硒
（ ２ ）
式 中， ， Ｋ 为船舶 操纵 性 能指数 。
＝ ｒ
（ ４ ） （ ５ ）
＝一ａ ｌ ｒ 一 ｒ ３ ＋６
式 中， ａ ｌ ＝ １ 厂 ｒ ， ａ ￣ ＝ （ ｘ ｆ ｒ ， ６ ＝ Ｋ厂 Ｉ １ 。
这样 ， 就将船舶在水平面 内的操纵运动简化为转舶角速度 对舵角 占变化的单 自由度运动。运用传递
函数 或直 接求 解 响应 方程 ， 可 求 得各 种舵 角 变化 所 引起 的转 艏 运动 。所 以 ， 也 常 以系数 Ｋ、 Ｔ ｆ 对一 阶方 程１ 来 直 接评 定船 舶 的操纵 特性 ， 称 之为 操纵 性指 数 。 操 纵 性指数 与 船体 惯性 、 回转 阻 尼和舵 的 回转力 矩 相关 。 若增
Ｖｏ ｌ ＿ １ ２ Ｎｏ． ２
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ３
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ —－ ９ ８ ９ １ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ １ ２
基于 Ｐ Ｉ Ｄ的船舶航 向控制
高 洁
（ 紫琅 职 业技 术 学 院 船 舶 工 程 系 ， 江 苏 南通 ２ ２ ６ ０ ０ ２ ）
第２ 期
高洁 ： 基于 Ｐ Ｉ Ｄ的船舶航 向控制
４ ５
＋ ＋
＝Ｋ ８
（ ３ ）
式中， 为非线性项模型系数 ， 表征船舶的稳态回转非线性特性 ， 它可 以通过回转实验确定。 将式（ ３ ） 转 化 为非 线性 动态操 纵方 程 组 ， 如式（ ４ ） 、 式（ ５ ） 所示 。
基于PLC的风力发电控制系统设计
学号：常州大学毕业设计(论文）题目基于PLC的风力发电控制系统设计学生学院专业班级校内指导教师专业技术职务校外指导老师专业技术职务二○一二年六月基于PLC的风力发电控制系统设计摘要:近年来随着经济的不断发展和人们生活水平的不断改善,在世界范围内石油、煤炭这些不可再生资源的使用量已经大大超过环境所能承受的范围，燃烧发电厂产生的污染物也对地球环境产生了负影响。
然而风能是一种清洁、可再生的能源，在发电这一领域具有巨大的开发潜力和商业活力。
随着科技的不断进步，计算机和可编程控制的科研水平在提升，这对于风电控制的研究又提供了新的途径。
针对风能具有随机性、不确定性的特点，本文用西门子可编程控制器S7-200来对风力发电进行控制。
主要内容包括电气原理图和设计流程图的绘制，PLC、电气元件的选型,发电机组启动控制、偏航控制、温度控制和变压器控制等.在论文中给出详细的控制原理解释和各模块的功能介绍,并配有每一模块的控制程序。
最后进行相关调试和仿真，利用STEP7—Micro/WIN32编程软件对PLC程序进行调试、仿真运行和在线诊断等，使仿真结果满足设计要求。
关键词：风力发电；可编程控制器;偏航；温度控制The Control System of Wind Power Based on PLCAbstract：In recent years, with the continuous development of the economy and people’s living standards continue to improve, in the scope of world petroleum，oil and coal these non-renewable resource consumption was significantly more than the environment can stand。
Combustion power generation of pollutants generated also produced negative effect to the environment of the earth. However, the wind energy is a clean，renewable energy power generation，it has tremendous development potential and business activity in this area。
风电偏航系统的容错设计与容错控制方法研究
风电偏航系统的容错设计与容错控制方法研究随着全球能源需求的不断增长，风能作为一种清洁、可再生的能源正逐渐成为人们关注的热点。
风力发电作为风能利用的主要手段之一，其发电效率和安全性受到风电机组的控制系统质量和性能的直接影响。
在风电机组中，偏航系统是确保风轮转向风向并保持稳定运行的关键部件之一。
然而，由于复杂的运行环境和设备故障可能性，偏航系统偶尔会出现故障。
因此，研究风电偏航系统的容错设计和容错控制方法成为了当今风电行业的重要任务。
容错设计通常是通过优化系统架构和增强系统鲁棒性来实现对故障的容错能力。
在风电偏航系统中，采用备用或冗余的控制器和传感器是常用的容错设计方案之一。
例如，可以使用多个位置传感器来监测风向，以提高风轮朝向的可靠性和精度。
此外，引入冗余的控制器可以在主控制器发生故障时启动备用控制器，从而实现对偏航系统的容错控制。
除了容错设计，容错控制方法也是解决风电偏航系统故障的关键。
容错控制方法可以根据系统状态和故障信息，采取相应的控制策略来保证风电机组的安全运行。
一种常用的容错控制方法是基于传感器冗余的容错控制方法。
这种方法利用多个传感器来监测系统状态，当某个传感器发生故障时，可以利用其他正常工作的传感器来纠正系统状态，保证风电机组的稳定运行。
另一种常见的容错控制方法是基于控制器冗余的容错控制方法。
在这种方法中，备用或冗余控制器可以在主控制器发生故障时接管控制任务。
这需要在系统设计阶段对备用控制器进行合理的配置和切换策略的制定。
此外，还需要考虑到备用控制器与主控制器之间的信息交换和同步问题，以确保切换过程的平稳进行。
除了传感器冗余和控制器冗余的方法，还可以使用基于模型的容错控制方法来保证风电机组的安全运行。
在这种方法中，通过建立风电机组的数学模型，并在模型中引入故障，可以利用故障检测和诊断方法来判断故障的发生和类型。
然后，根据检测和诊断结果，采取相应的控制策略来保证风电机组的稳定运行。
总之，风电偏航系统的容错设计和容错控制方法对于保证风电机组的安全运行至关重要。
海洋平台结构的抗风特性建模与实验研究
海洋平台结构的抗风特性建模与实验研究随着全球气候变化带来的极端天气事件频发，对海洋平台结构的抗风性能进行深入研究变得越来越重要。
海洋平台是为了在海上进行能源开发和其他海洋工程而建造的结构物，如风力发电机组、海上石油平台等。
这些结构必须能够经受住自然环境中的挑战，特别是强风的冲击。
本文将讨论海洋平台结构的抗风特性建模与实验研究的现状和方法。
抗风特性建模是研究海洋平台结构的重要一环。
通过建立数学模型，可以模拟平台在不同风速下的响应，并预测其抗风性能。
常见的建模方法有基于经验公式的工程方法和基于物理原理的数值模拟方法。
在工程方法中，研究者通常根据历史数据和工程实践，建立经验公式来评估平台的抗风性能。
这些公式考虑了平台的结构特点、尺寸和形状等因素，并通过风荷载计算方法，预测平台在风力作用下的响应。
这种方法简单直观，适用于初步设计及简化评估。
然而，由于工程方法依赖于经验公式，其适用性受到一定限制。
因此，为了更准确地评估海洋平台的抗风性能，越来越多的研究者转向基于物理原理的数值模拟方法。
这些方法基于风力在平台结构上产生的气动载荷，运用导流理论和结构动力学的原理，对平台的响应进行精确计算。
数值模拟方法主要包括计算流体力学（CFD）和风洞试验。
CFD方法通过将空气流动建模为数学方程组，然后利用计算机算法求解这些方程来模拟风力作用下的平台响应。
它提供了更为详细和全面的信息，可以考虑更多复杂的风场和平台几何形状，但计算量较大且计算结果的准确性受到网格分辨率和边界条件的影响。
与之相比，风洞试验是通过模型试验来研究平台结构在风力下的响应。
试验模型通常是平台的缩尺模型，可以在受控的气流中进行实际物理观测。
风洞试验可以提供准确的力学数据，用于验证数值模拟结果的准确性。
然而，风洞试验受限于试验尺寸和实验设备，很难完全模拟真实环境。
综合而言，抗风特性建模与实验研究的方法上具有互补性。
工程方法适用于初步设计和简化评估，而数值模拟和风洞试验则可以提供更准确和详细的信息。
一种民用飞机阵风减缓控制设计方法研究
一种民用飞机阵风减缓控制设计方法研究民用飞机阵风减缓控制是一项重要的技术，它能够很好地控制飞行器的姿态、飞行特性以及飞行器的安全性。
研究阵风减缓控制是提高民用飞机安全性的重要研究内容。
本文将研究一种基于阵风减缓控制的民用飞机安全性设计方法，以期提高民用飞机安全性。
一、民用飞机阵风减缓控制基本原理阵风减缓控制是一种可以抑制飞行器的空气动力学力的技术。
它的原理是在飞行器表面放置一组阵风减缓装置，可以把飞行器上的气流分开，使得气流不会紊乱，从而减缓飞行器的空气动力学力，形成一个“抑制波”抑制飞行器的空气动力学力。
阵风减缓控制可以抑制飞行器的空气动力学力，减缓飞行器姿态、飞行特性及飞行器安全性。
在某些特定工况下，阵风减缓控制可以增加民用飞机的抗风性能，提高飞机的安全性。
二、民用飞机阵风减缓控制设计方法（1）首先确定飞行器的特性，如机载重量、飞行状态等，以及阵风减缓控制系统的基本控制参数，如控制面积、控制器布局等。
（2）实验飞行器，使用阵风减缓控制系统，对飞行器进行减缓抑制，测量减缓抑制效果，并确定最佳控制参数。
（3）模拟分析，通过计算机模拟，广泛探测不同参数的控制效果，以确定最佳的控制参数。
（4）实验室测试，在实验室内进行控制方法的测试，分析阵风减缓控制对飞行器姿态、飞行特性、安全性的影响，确定控制方法的可行性。
三、阵风减缓控制对民用飞机安全性的提高（1）阵风减缓控制可以有效抑制飞行器的空气动力学力，减缓飞机的角速率，提高飞机的稳定性。
（2）此外，阵风减缓技术的有效运用可以使飞行器在高速飞行状态下保持良好的姿态，从而提高民用飞机的安全性。
（3）此外，阵风减缓装置可以将飞行器的转动惯量减小，从而使其在高速飞行状态下响应速度更快，灵活性更强，也可以提高民用飞机的安全性。
结束语本文研究了基于阵风减缓控制的民用飞机安全性设计方法，阐述了民用飞机阵风减缓控制的基本原理，探讨了民用飞机阵风减缓控制设计方法，以及阵风减缓控制对民用飞机安全性的提高。
基于IMFAC的无人艇抗干扰航向自适应控制
收 稿 日 期 "#"% #$ &%$! 修 回 日 期 "#"% #( &)% 基 金 项 目 海 洋 防 务 创 新 中 心 创 新 基 金 项 目!++5"#"&5'#"5#&"% 作 者 简 介 包 ! 涛!&))$ "&男 &硕 士 &工 程 师 % 引 用 格 式 包 ! 涛 &王 ! 琦 &周 则 兴 &等 !基 于/=[:T 的 无 人 艇 抗 干 扰 航 向 自 适 应 控 制'+(!计 算 机 测 量 与 控 制 &"#"$&%"!%")&(% &(*!
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风干扰下无人机自抗扰控制参数自整定
合。风场环境下无人机动力学模型为:
6 2m
= s ] (cos^os ) —_g —右 p'C””” 2
” N4+( ZZ gr-M””
+ .04 (ZZ”-m”+
g=
Z
-=C4 + ( Z _Z+) 9 - M”z
p=
Z
* = = + tan$( gsin * + r*)cos
$ = gcoss - rsin *
1复杂风场环境模型建立
无人机在室外飞行时，主要干扰元素来源于外界 环境中的风场，风场中存在气流扰动主要是风切变、离 散突风和大气紊流三种［13］&姿态控制的关键在于控 制器是否能够及时降低气流扰动带来的影响 ，因此需 建立风场模型进行研究分析，使控制参数设计具有针
收稿日期：2020-08 -04;修回日期：2020-08 -16 作者简介:石晓洁（1996—），女，河北邢台人，贵州大学硕士研究生,研究方向为机械工程，（E-mail） S1274093691 @163. com；通讯作者:蔡家斌
象输出易发生振荡，文献［9-12］采用粒子群算法、改进 克隆算法、鲸鱼优化算法和蚁群算法等对自抗扰控制 参数进行自整定，但只消除了内部扰动,未考虑实际飞 行环境中的干扰。
本文采用八旋翼无人机为研究对象，建立了风场 环境模型和在复杂气流扰动下的无人机动力学模型。 使用RBF神经网络实现自抗扰控制参数自整定，并与 传统PIA和反步法进行对比分析，结果表明优化后的 自抗扰控制对于无人机姿态控制具有较高的控制精度 和较好的抗风扰性能。
that Wo many ADRC parameters led to difficulty in design. The IAE and ITAE performance indexes are u2ed to uudgethetran2ientperformaneeand 2teady-2tateperformaneeoftheeontro ler, and itiproved that thenonlinearaetivedisturbaneereueetion eontro lerbased on RBFneuralnetwork hashighereontrolaeeura-
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1 clf 航向控制器抗风性能研究
1. 引 言 航向保持与跟踪是一个相当古老的控制问题，然而时至今日它的发展仍呈现勃勃生机，每当控制论中出现新的理论、策略、算法时，在所述领域很快就会有相应的研究跟进。这一方面是由于在国际范围内分布着一批专业研究团队在进行创造性的工作，更主要的是该课题的进展关乎航行性能的提高、运营节能的获益以及乘客和船员生活舒适度的改善，因而受到关注。航向保持与跟踪也是更深化的船舶运动控制问题的出发点。近30年船舶运动控制研究大致按如下的路线变迁：自适应控制→鲁棒控制→智能控制→非线性鲁棒控制→非完整系统的非线性控制[1][2][3][4][5]。
从历史与现状上看，基于高深、新潮的控制论设计的自动操舵算法层出不穷，而与之匹配的往往是相当简化的船舶模型和环境干扰模型，这类研究结果的应用价值难免受到局限。将控制、模型、干扰这“三驾马车”的现有成果在船舶运动的仿真研究（实船操控设计）中加以均衡的处理和实现，是笔者撰写本文时所遵循的宗旨，目的是增强研究结果的实用性。
本文将clf(control Lypunov function)[6]用于航向跟踪与保持控制器设计，保证了闭环系统的稳定性；在运动数学模型方面，应用的是笔者近期提出的一种“新”表达形式，后者将作用于船舶的力和力矩的平衡关系解释为代表该力及力矩的“强度角”之间的平衡关系，便利了理论研究、数值计算和编程仿真[7]；至于风力干扰，其基本机理计算公式以及相关数据之存在盖有年矣[3][7][8]，不过因其非线性特征，鲜有研究者乐于问津。综合应用以上知识本文推演出一个具有较强抗风力干扰效能的航向控制器。通过仿真检验闭环系统的行为,表明其动态真实可信，同一个航向保持与跟踪控制算法适用于航速V及风速VT、风向αw的全程变化，系统具有可靠的稳定性和较强的鲁棒性。
2. 三自由度状态空间船舶模型 考虑船舶的平面运动，取右手规则的附体坐标系xoy,前进速度u 设为常量V，大地坐标系x0o0y0, x0指正北，y0 指正东，首向角ψ 从x0算起，顺钟向为正，则有下列运动方程 x1 = a11x1 + a12x2 + bn11δn + b11δ + bw11δw + bwt11δwt
, （1）
x2 = a21x1 + a22x2 + bn21δn + b21δ + bw21δw + bwt21δwt
, （2）
x3 = x2， （3） 其中x1= v 是横漂速度，x2 = r 为转首角速度，x3 = ψ 是首向角；x1
= v̇ 为横漂加速2
度，即单位质量上的横向力，x2
= ṙ 为转首角加速度，即单位惯性矩上的转首力矩；
δ 是控制舵角，左舵为正；δn 是非线性力强度角；δw 为平均风力强度角；δwt 为脉动
风力强度角；各“b”参数是相应强度角的加权。式（1）、（2）中左端为单位质量（·）上的惯性力及单位惯性矩（··）上的惯性力矩；右端第一、二项为（·）线性阻尼力与（··）线性阻尼力矩；右第三项是（·）非线性阻尼力及（··）非线性阻尼力矩；右第四项为（·）舵力与（··）舵力矩；第五项为（·）平均风力及（··）平均风力矩；第六项则为（·）脉动风（turbulence）力与（··）脉动风力矩。式（1）（2）（3）构成一组非线性船舶平面运动数学模型，经过简单的扩展，还可包含船舶在大地坐标系内的运动位置x0、y0的动态。 进一步的讨论见[3][7]。
3. Clf 航向控制器设计 Clf方法的真谛在于设计状态反馈控制器 δ = f(x)的同时即保证闭环系统的稳定性，并尽可能地满足系统的动态性能，而通常的Lf( Lyapunov function)方法是先设计控制器，然后验证闭环稳定性。 ·误差定义 e1 = x1
, （4）
e2 = x2, （5） e3 = x3 - ψr， （6） ψr 为设定航向。
·广义误差 定义为三个误差的加权和： S = αe3 + βe2 + γe1 . （7） ·Lyapunov函数 一个基于S的正定函数： V = (1/2)S2. （8） ·稳定性原则 V = -kV, （9） k 为衰减指数，式（9）表明，我们要求V>0，并规定其时间过程满足指数收敛法则。 ·控制器设计 将式（8）代入式（9），得 S = - (k/2)S, (10) 即 αe3 + βe2 +γe1
= -(k/2)S, （11）
式（11）之左端第1项 αe3 = αx3 = αx2, (12) 式（11）之左端第2项 βe2 = βx2 = βq2, (13) q2 = a21x1 + a22x2 + bn21δn + b21δ+bw21δw + bwt21δwt , (14) 3
式（11）之左端第3项 γė1 = γq1, q1 = a11x1 + a12x2 + bn11δn + b11δ + bw11δw + bwt11δwt , (15) 式（11）之右端为 （k/2）S = (k/2){α(x3 - ψr) + βx2 +γx1}. (16) 将以上各式代入式（11），解出舵角δ，得 δ = -( m1 + m2 )/m3, (17) 且 m1 = m11x1 + m12x2 + m13(x3 - ψr), (18) m11 = βa21 + γ(a11 + k/2), m12 = α + β(a22 + k/2) + γa12, m13 = (k/2)α, m2 = m24δn + m25δw + m26δwt , (19) m24 = βbn21 + γbn11, m25 = βbw21 + γbw11, m26 = βbwt21 + γbwt11, m3 = βb21 + γb11
. (20)
最后有 δ = - [m11x1 + m12x2 + m13(x3 - ψr) + m24δn + m25δw + m26δwt]/m3, (21) 这是用x1,x2,x3, δn, δw,δwt
进行“参数化”的控制器格式。
我们还可以将同一个控制器按 α，β，γ 进行参数化，结果如下 δ = - [ αx3̅̅̅ + β x2̅̅̅ + γx1̅ ]/(βb21 + γb11), (22) 且 x3̅̅̅ = x2 + (k/2)(x3 - ψr), (23) x2̅̅̅ = (k/2 +a22)x2 + a21x1 +bn21δn + bw21δw + bwt21δwt , (24) x1̅ = (k/2 +a11)x1 + a12x2 +bn11δn +bw11δw + bwt11δwt . (25)
在式（14）、式（15）中，我把“平均风”的力和力矩看作是状态的一种非线性函数而进行反馈，理由是充分的；至于脉动风的力和力矩，因其具有随机性似乎不宜包括在状态反馈之中，但仿真表明，只采用平均风力反馈或同时采用平均风力加脉动风力反馈，其结果之差别可以忽略，这是由于两种风力的幅值相差一个数量级之故。 因而我们将两项风力全部纳入反馈变量之中，这样处理从理论上说有一些牵强，但带来一个明显的好处，就是不必再躭心闭环系统的稳定性，也可绕过NSS(noise to state stability ) 检验这个有些棘手的程序[10]。实际应用中，当代海船都易于进行风速与风向的数字化4
量测，因而不难实现全风力反馈。 4. 闭环系统微分方程 在式（1），（2），（3）所示的开环方程中，将控制舵角δ用式（22）给出的公式代入，就得到闭环系统方程
x1 = a11̅̅̅̅x1 + a12̅̅̅̅x2 + a13̅̅̅̅(x3-ψr) + bn11̅̅̅̅̅̅δn + bw11̅̅̅̅̅̅δw + bwt11̅̅̅̅̅̅̅δwt, (26) x2 = a21̅̅̅̅x1 + a22̅̅̅̅x2 + a23̅̅̅̅(x3-ψr) + bn21̅̅̅̅̅̅δn + bw21̅̅̅̅̅̅δw + bwt21̅̅̅̅̅̅̅δwt, (27) x3 = x2
, (28)
其中 m4 = b11/m3, (29) m5 = b21/m3, (30) a11̅̅̅̅ = (1 - γm4)a11- m4 (βa21 + kγ/2), (31) a12̅̅̅̅ = (1−γm4)a12 - m4(βa22
+α+kβ/2), (32)
a13̅̅̅̅= (kα2)m4, (33)
bn11̅̅̅̅̅̅ = (1 - γm4)bn11 - βm4bn21, (34) bw11̅̅̅̅̅̅ = (1-γm4)bw11 - βm4bw21, (35) bwt11̅̅̅̅̅̅̅ = (1-γm4)bwt11 - βm4bwt21, (36)
a21̅̅̅̅ = (1 - βm5)a21 - γm5(k/2 +a11), (36) a22̅̅̅̅ = (1 - βm5)a22− m5( α+ kβ/2 + γa22), (37) a23̅̅̅̅ = (kα2)m5, (38)
bn21̅̅̅̅̅̅ = (1− βm5)bn21 - γm5bn11, (39) bw21̅̅̅̅̅̅ = (1− βm5)bw21 - γm5bw11
, (40)
bwt21̅̅̅̅̅̅̅ = (1− βm5)bwt21 - γm5bwt11
, (41)
以下的一些仿真曲线即为此方程组的解的图像表达。
5. 控制器参数确定 在用clf 设计航向控制器时，三个误差加权系数 α,β,γ 处于待定状态。其具体数值无疑会影响到闭环系统的动态性能，而目前还缺乏系统地决定这些参数值的方法。我们采取如下一种不太聪明的办法：让此处的clf 控制器大体上“比照”一个用于Bech模型的、性能尚好的clf 控制器[新浪网“贾欣乐的博客”2014年11月21日文：“基于Bech模型与clf的航向跟踪-2014读书思考之（7）”]，该控制器的型式为