基于自适应动态面的航向跟踪控制器设计
２０１０年第４期 青岛远洋船员学院学报 ＶＯＬ．３１ ＮＯ．４
文章编号：１６７１—７９９６（２０１０）ｏ４一ｏｏ３５一ｏ４
基于自适应动态面的
航向跟踪控制器设计
孙红英 于风卫
（青岛远洋船员职业学院机电系，山东青岛２６６０７１）
提要：针对船舶航向控制非线性系统模型中存在的不确定性和外界干扰的影响，采用动
态面控制算法设计了一种鲁棒自适应控制器。由于在反步法设计过程中加入了一阶低通滤波 器使得该方法无需对模型非线性多次微分，因而设计方法简单。所设计的鲁棒自适应控制器不 仅能保证闭环系统的半全局渐近稳定，使得输出渐进跟踪期望轨迹；而且，跟踪误差可以通过控 制器的设计参数加以调整。以中远集装箱船ＣＯＳＣＯ Ｓｈａｎｇｈａｉ号为例进行仿真研究，结果证明 所设计的控制器是有效的。 关键词：船舶航向 自适应动态面控制 递推方法干扰 中图分类号：Ｕ６６５．１４ 文献标识码：Ａ
目前，各种先进的控制算法应用到船舶航向 控制取得了较好的控制效果。但是在绝大多数的 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，普遍采用Ｎｏｍｏｔｏ线性模型进行设
讳。同时由于航速、装载以及航行中风、浪、流等 外界干扰的影响，船舶航向控制系统存在着系统 参数和外界干扰的不确定性。近年来，不确定非 线性系统的自适应控制得到了很大发展。特别是 反步法，它在实现不确定非线性系统（特别是当干
扰或不确定性不满足匹配条件时）的鲁棒控制或 自适应控制方面有着明显的优越性。但是，反步 法在虚拟控制量求导过程中导致了系统方程微分 项的膨胀，控制器设计非常复杂。本文就是在这 样的背景下，将动态面控制算法引入到船舶航向
控制中。该算法的核心是在每一步使用一阶积分 滤波器来估计虚拟控制输入的导数，既避免了系 统的项数膨胀问题，改善了系统的动态特性，同时
针对系统中部分参数未知的情况，借助自适应方 法来实现航向跟踪控制器的设计。 １ 船舶航向非线性数学模型 在船舶航向自动舵的设计中，船舶航向控制
收稿日期：２０１０—１１—１１ 第一作者简介：孙红英（１９７４一 ），女，讲师 系统采用Ｎｏ．ｂｉｎ模型 ］：
＋ｒ＋ｏ／／＂ ＝硒 （１） 式中ｒ为首摇角速率，６为舵角， 为时间常 数，Ｋ为增益， 为Ｎｏ．ｂｉｎ系数，其值可由螺旋桨
实验确定。 在航向改变中，希望用期望首向角 代替航 向变化的设定参考信号 ，，一种简单的方法是应
用模型参考技术。本文采用参考模型
Ｘｄ ｒ （２）
式中 是设计参数控制响应速度， 为设定 航向变化的指令信号， 为期望航向的光滑参考 轨迹。
为获得良好的航向控制性能，还应考虑舵机 伺服系统的特性，船舶舵机的动力特性可以描述
为：
一 ＋》 （３）
装载及航速等变化时系统模型参数将发生较
大波动，此时控制器参数很难合适确定，因此在这 里假设参数 、Ｋ、 均为未知常参数，得到包含舵
－３５・
２０１０年第４期 青岛远洋船员学院学报 ＶＯＬ．３１ ＮＯ．４
机特性的航行控制系统模型。为了设计需要，选
取状态变量 ＝ ， ＝ｒ， ＝６，控制量 ＝ ，考
虑舵机特性的船舶航向非线性模型如下：
１＝ ２
圣２＝０２１Ｘ２＋０２２ｘ；＋６ ３＋△
． １ （４） 一 ，＋
Ｙ １ 其中， ＝一寺， ：一号，６＝等， ， 为
未知常参数，控制增益ｂ为未知常参数，但符号已 知，△为干扰，Ａ ＝Ａ／Ｔ。根据工程实践，通常假 设外界干扰是有界的，即有Ｉ△ ｉ≤ｐ。其中，ｐ为 未知的常数。
２船舶航向自适应动态面控制器设计 基于动态面的控制算法仍采用反步法的设计
思想，通过将复杂的非线性系统分解成不超过系 统阶数的子系统，然后为每个子系统设计部分
Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数（简称Ｖ函数）和中间虚拟控制量，
一直“后推”到整个系统，将它们集成起来完成整
个控制律的设计，具体步骤如下： 第一步：设船舶沿着设定的航向 航行，定 义航向偏差为第一个动态面Ｓ ＝ 一 ， ，以及Ｊｓ： ＝ ２一 ２ｄ，Ｓ１的导数为
Ｓ１＝ ２一 １ｄ （５）
为使Ｊｓ ，选虚拟控制为 ，令 ：通过一阶
滤波器， ： 为输出，．ｒ：＞０为时间常数
ｒ２ｘ２ｄ＋ ２ｄ＝ ＿２， ２ｄ（０）＝ （０） （６）
则滤波器输出误差Ｙ ＝ ： 一 ，由式（６）可以 得到如下关系
２ｄ： ： （７）一 一 ， ‘ ２ ２ 构建第一个Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数
＇／ｌ＝÷ ＋÷ （８）
对其求导得
Ｖ１＝Ｓ１（． ＋），２＋ 一Ｘ‘ｌｄ）＋ｙ２Ｙ２ （９） 取虚拟控制量 为
．２＝一后１５ ＋ ｄ （１０） 其中ｋ ＞０的常数。
由 ＋ １ ｚ２≥Ｊｓ Ｓ：，Ｊｓ ＋ １＿ｙ：２≥．ｓ１Ｙ２，式（９）可
化为
．３６． ＜￣２Ｓ２＋ １：２＋ １ ２：一 ＋ｙ２Ｙ： （１１）
将式（７）代入（１１）得
Ｖ ￣＜２Ｓ２１＋ １．）２２＋ １ ｙ２２一 ＋），２ Ｙ＿ｒＬ，＋Ｂ
（Ｓ ， ｄ）） （１２）
取ｋ１＝２＋ｙ，则
，≤一ｙｓ；＋÷Ｊｓ；＋ １ ２一 ２＋ｌ ｙ２８ １（１３）
第二步：定义第二个动态面Ｓ：＝ 一 ，其时
间导数为
＝ 】 ２＋ ２２ ＋ｂｘ３一 ２ｄ （１４）
取 ＝ ＋ １ ２＋ ＋麦 ＋
（１５） ．
其中， ＝ 一 ， 为卢＝１／ｂ的估计值，Ｐ ，
Ｐ ，Ｐ＞Ｏ为可调的设计参数。 对（１５）式求导
＝ 一ｐ （ 一，０２１Ｓ： ）一ｐ （
一Ｐ２２Ｓ ）＋｜ｓ 一 Ｅｘ，一 （一 一 ：＋ ： ）一
ｐ＿ｌ＿ （１６）
由卢ｌ Ｉ～＝昭ｎ（卢）＝ｓｇａ（ｂ），得
＝ 一ｐ ： （ 一Ｐ２１Ｓ： ：）一Ｐ （
一Ｐ２２．ｓ ；）＋ｓ 一 ［ ，一 （一 一 ；＋Ｘ‘，２ｄ）］
一Ｐ。ｆ ｆ （ ＋ 。。ｓｇｎ（ｂ）Ｓ２ｘ，） （１７）
参数的估计值满足如下自适应律
０２１ ｐ２１ Ｓ２ ２
０ ２２＝ｐ２２Ｓ ；
＝－ｐｓｇｎ（６）Ｓ ３ （１８） 第三步：定义第三个动态面Ｓ ： ，一 ， ，其时
间导数为
一 １＋筹…， （１９）
取 ＝ ＋÷｜ｓ； （２０）
得到实际控制器设计输入
＝乏（一 ，ｓ，一 ３一 ， ＋莺， ）（２・）
其中 ＞０，为可调参数，
则 ２０１０年第４期 青岛远洋船员学院学报 ＶＯＬ．３１ ＮＯ．４
：≤一 ｊ＋丢ｓ；＋ １，，２一 ２＋ｌ ｙ２Ｂ Ｉ一 ：ｓ
一后， （２２）
取后：＝０．２５＋ｙ， １： １＋ ＋ｙ，对于任意给 ７－， 斗 定的正数 ，有 （ｙ２２Ｂ ／２６）＋（８／２）≥ｆＹ２Ｂ Ｊ （２３）
由Ｖ（Ｓ１，…，Ｓ ，Ｙ２，…，Ｙ ，０ｌ，…，０ ）＝Ｐ， 『Ｂ！＜ 定义的集合中，可得
≤一２ＴＶ＋６／２ （２４）
当ｙ≥６／４ｐ，则Ｖ＝Ｐ时 ≤０，闭环系统的所
有状态，包括．ｓ （ｔ），‘ ，和 均一直有界，所以系 统半全局渐近稳定。上述设计可总结为以下定 理 引：
定理１考虑非线性不确定性系统（４），对于
所有的不确定，存在增益ｋ ，…，ｋ 和滤波时间常 数 ：，…， 使得控制器（２１）保证由式（５）一（２１）
组成的闭环系统半全局渐近稳定并使得输出半全 局渐近跟踪期望的轨迹 ３仿真研究 为验证本文所设计的船舶航向自适应跟踪控
制器的性能，以中远集团５４４６ＴＥＵ系列集装箱船 ＣＯＳＣＯ Ｓｈａｎｇｈａｉ号的实船数据进行仿真，船长２８０
米，船宽３９．８米，方型系数０．７２，满载吃水１４．０３ 米，船速为１２．６ｍ／ｓ时，Ｋ＝０．２５１１，Ｔ＝２０６．７６８６， 舵机模型的参数为：ＫＥ＝１， ＝２５ｓ。控制器设计
参数取为：ｋ１＝５，ｋ２＝３．５，ｋ３＝１，Ｐ２ｌ：０．０５，Ｐ２２＝ ０．０５，Ｐ＝１。考虑船舶受风、浪等外界环境干扰的
影响，取海况为六级风、海浪为中浪时，验证所设 计控制器的鲁棒性。 图２航向跟踪误差变化曲线
图３舵角变化曲线
图４参数 。的变化曲线
图 实际航向（实线）与期望航向（虚线）变化曲线 图５参数 的变化曲线
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图６参数口的变化曲线
图１和图２表明航向跟踪效果理想且跟踪误 差最终稳定有界，图３表明输入舵角及舵角变化
率均满足性能要求，图４、图５和图６表示自适应 参数的有界变化曲线。
４结束语 本文针对船舶航向控制非线性系统模型中存
在的不确定性和外界干扰的影响，采用动态面控 制算法设计了一种鲁棒自适应航向跟踪控制器， 所设计的鲁棒自适应控制器不仅能保证闭环系统
的半全局渐近稳定，使得输出渐进跟踪期望轨迹； 而且，跟踪误差可以通过控制器的设计参数加以
调整。以中远集装箱船ＣＯＳＣＯ Ｓｈａｎｇｈａｉ号为例进 行仿真研究，结果表明所设计的控制器对给定航 向的跟踪具有良好的动态特性，对系统的不确定 性，具有较强的鲁棒性。
参考文献： ［１］贾欣乐，杨盐生．船舶运动数学模型一机理建
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Ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ
Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ
ＳＵＮ Ｈｏｎｇ——ｙｉｎｇ ＹＵ Ｆｅｎｇ—－ｗｅｉ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｏｃｅａｎ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｍ＿ａｉ￣ｌｌｅｌ＇ｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０７１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ，ａ ｒｏｂｕｓｔ ａｄａｐｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ
ｓｈｉｐ ｃｏｕｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｕｎｋｎｏｗｎ ｂｏｕｎｄｅｄ
ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｓ ｉｎ ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ａｌｌｏｗｓ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｂｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｎｇ ａｎｙ ｍｏｄｅｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｒｏｂｕｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｇｕａｒａｎｔｅｅｓ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｓｅｍｉ—ｇｌｏｂａｌｌｙ ａｓｙｒｈｐｔｏｔｉｃａｌｌｙ ｓｔａ—
无人机三维航路自适应跟踪控制
龙源期刊网
无人机三维航路自适应跟踪控制
作者：张坤 高晓光
来源：《计算机应用》2016年第09期
摘要：
针对无人机自动驾驶仪参数标称值偏离实际值情况下的航迹跟踪问题，提出一种无人机三维航路自适应跟踪导引律。首先在无人机自动驾驶仪参数无偏离的条件下，推导出能够跟踪三维航路的速度指令、航迹倾斜角指令和航迹方位角指令，并使用Lyapunov稳定性理论证明了跟踪系统全局渐进稳定；之后考虑自动驾驶仪参数标称值偏离实际值的情况，设计自适应算法在线估计自动驾驶仪参数，得到无人机三维航路自适应跟踪导引律，并采用Lyapunov稳定性理论证明了该跟踪闭环系统全局渐进稳定。仿真实验表明所提出的自适应跟踪导引律能够使无人机在自动驾驶仪参数偏离条件下有效跟踪三维航迹。
关键词：
航路跟踪；参数偏离；导引律；无人机；自适应控制
中图分类号：
V249
文献标志码：A
Abstract：
Concerning the problem of trajectory tracking control for an Unmanned Aerial Vehicle
（UAV） when the nominal values of autopilot parameters deviate from the actual values， a
threedimensional trajectory adaptive tracking control law was proposed. First， with no parameter
deviation of autopilot parameters， a guidance law was derived and commands were obtained for the
非完整移动机器人轨迹跟踪自适应控制器设计
１０４ 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ２０１１年第３Ｏ卷第５期
非完整移动机器人轨迹跟踪自适应控制器设计 李会来，李小民，陈静华 （军械工程学院光学与电子工程系，河北石家庄０５０００３） 摘要：针对轮式移动机器人的非完整运动学模型，将自适应反演控制技术和李亚普诺夫稳定性理论应 用于机器人轨迹跟踪控制，设计了具有全局渐近稳定性的自适应轨迹跟踪控制器，并在Ｍａｔｌａｂ环境下实 现了移动机器人对直线和椭圆２种轨迹追踪的仿真实验。实验表明：该控制方法在轨迹跟踪控制中有较 好的航向跟踪效果，对机器人非完整系统模型的非线性特性表现出良好的有效性和自适应性。 关键词：移动机器人；非完整系统；自适应控制；反演 中图分类号：ＴＰ ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１１）０５－０１０４－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ０ｆ ａｄａｐｔｉｖｅ ｔｒａｊ ｅｃｔｏｒｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ｎ０ｎｎ０ｌ０ｎ０ｍｌＣ ｍ０ Ｄｌｉｅ ｒｏ Ｄｏｔｓ＂ｌｌ １ ● １ ●● １ ＬＩ Ｈｕｉ—ｌａｉ，ＬＩ Ｘｉａｏ—ｍｉｎ，ＣＨＥＮ Ｊｉｎｇ—ｈｕａ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ，ａｄａｐｔｉｖｅ ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｌｙａｐｕｎｏｖ’Ｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔＯ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗｉｔｈ ｇｌｏｂａｌ ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｕｎｄｅｒ Ｍａｔｌａｂ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｗｅｌｌ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ；ｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃ ｓｙｓｔｅｒｍ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ ０引 言 在轮式机器人运动控制理论中，一般假设车轮与地面 为点接触，并且，接触点处只有纯滚动而不发生相对滑动 （包括侧向和纵向滑动）。这种理想的约束本质上是一种 非完整约束，使得理想约束条件下的轮式机器人成为非完 整系统的典型实例 Ｊ。由于机器人非完整特性，机器人 不满足Ｂｒｏｃｋｅｔｔ的光滑镇定条件，非完整系统不存在将系 统镇定到非奇异位形的光滑时不变静态状态反馈控制律。 这样，非完整系统镇定控制律的可能形式受到了本质的约 束，经典线性系统理论中许多成熟结果无法直接应用于非 完整系统的镇定控制，必须寻找新的方法来解决这个问题。 反演（Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ）控制是一种成熟的鲁棒控制方法， 其算法简单，抗干扰性能好，系统响应速度快，在非完整系 统控制中得到广泛应用 Ｊ。本文针对含有未知参数的非 完整移动机器人运动学模型，基于Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ时变状态 反馈方法和Ｌｙａｐｕｎｏｖ理论提出了轨迹跟踪控制器，讨论了 收稿日期：２０１０－０９－０４ 两驱动后轮角速度为控制输入的移动机器人轨迹跟踪问 题，构造了具有全局渐近稳定的自适应轨迹跟踪控制器，实 现对预定轨迹的全局渐近跟踪，并在Ｍａｆｌａｂ环境下验证了 其有效性和正确性。 １移动机器人跟踪问题模型 图ｌ为机器人移动模型 ，机器人在二维空间运动其 状态由两驱动轮的中点在坐标系的位置与方位角来标示。 Ｒ为车轮直径，两轮之间距离为２６。点Ｐ（ｋ）代表机器人的 当前位置，Ｐ（ｋ）在广义坐标中定义为［％（ｋ），ｙ。（ｋ）， （ｋ）］， （ｋ）和 （ ）为直角坐标系下Ｐ（ｋ）的坐标， （ ） 为机器人的方位角，即前进方向和 轴正方向的夹角。移 动机器人受不完全约束的影响而只能在驱动轮轴的方向运 动，点Ｐ（ｋ）的线速度和角速度定义为 （ｋ）和∞ （ｋ）。 当不考虑车轮的滑动时，双后轮差速驱动移动机器人
巡航飞行航向位置实时跟踪PID控制器设计
巡航飞行航向位置实时跟踪PID控制器设计
谢晓方;刘家祺;孙涛;梁捷
【摘 要】For the problem that arrival time at way point can be easily
disturbed by wind in airspeed holding cruising,the heading position
tracking controller is designed based on ground speed
plementary filter should be added into feedback to suppress
the high frequency wind which causes thrust not calm in airspeed
control.Ground speed feedback can simultaneously suppress the
interference of wind to thrust and speed,proportional-integral-differential
(PID) controller keeps practical heading position tracking moving virtual
target in ideal path,so as to make arrival time at each way point precisely
controlled.Applying the controller to aircraft's longitudinal dynamics
simulation model,the simulation results show that the heading position
and speed can accurately track the corresponding reference signalsunder
基于自适应模糊器的飞行器轨迹跟踪控制
基于自适应模糊器的飞行器轨迹跟踪控制
马耀名;吕玉恒
【摘 要】针对四旋翼飞行器提出一种基于模糊自适应控制的自适应轨迹跟踪控制算法.在外界气流及姿态转动模型干扰的影响下,保证了位置及姿态角可以快速、精准地进行轨迹跟踪.位置控制器为解决飞行器在外界干扰下失衡或反应不灵敏的问题,设计自适应算法,提高了飞行器对外界干扰离的适应性.姿态控制器为消除转动干扰力矩的问题,设计模糊自适应控制算法,对干扰进行模糊化并根据扰动的强弱而调节模糊输出的大小.利用Lyapunov理论,证明整个闭环系统全局渐近稳定.仿真结果表明,该控制器对外界干扰具有较强的鲁棒性.
【期刊名称】《计算机应用与软件》
【年(卷),期】2018(035)007
【总页数】5页(P153-157)
【关键词】四旋翼飞行器;自适应;模糊;轨迹跟踪
【作 者】马耀名;吕玉恒
【作者单位】辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 辽宁葫芦岛125100;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 辽宁葫芦岛125100
【正文语种】中 文
【中图分类】TP273
0 引 言 旋翼类飞行器能够进行垂直起降、悬停、曲线循迹[1-2]等多种复杂的空间运动，具有快速性、灵活性、精准性等特点。近几年，飞行器空前巨大的市场前景而备受学者的关注。
飞行器可进行遥控和自主飞行，并具有较好的精确性、快速性、抗干扰性等特点。飞行器具有两种空间坐标系六种相关联的自由度，却只有四种控制输出，是典型的欠驱动系统[3]，其具有多输入多输出、非线性、强耦合等特点，采用模糊、自适应、观察器、滑模控制、内外双闭环等控制算法[4-10]。
文献[11]采用双闭环滑模控制系统，并在外环自适应、内环加入干扰观测器，使飞行器具有较好的抗干扰性和跟踪精度。
文献[12]针对飞行器惯性参数不确定的情况，提出了一种滤波补偿的参数不确定自适应轨迹跟踪控制。在位置、姿态控制器的基础上添加了线性微分跟踪器以及惯性参数估计器，基于输入输出位置、姿态稳定性理论构造的控制律和惯性参数估计律，导出的姿态信号再运用线性微分跟踪器进行指令动态补偿，避免了轨迹跟踪控制对时标分离的依赖。
航天器姿态控制中的自适应控制研究
航天器姿态控制中的自适应控制研究
随着航天技术的不断发展和应用，航天器的姿态控制问题引起了人们越来越多的关注。姿态控制是指航天器在绕其轴向的旋转过程中，通过控制其三轴控制反应器对其进行合理的调整，从而使其保持稳定的状态。而自适应控制技术则是解决航天器非线性和时变特性问题的有效途径。本文将探讨航天器姿态控制中的自适应控制研究。
一、航天器姿态控制的基本原理
姿态控制是航天器控制系统中非常重要的组成部分，其基本原理是通过控制航天器的三轴控制反应器（姿态控制仪）实现姿态的调整。具体而言，就是通过调整航天器自身的姿态，使其飞行方向达到预定目标，保持一定的状态或完成一定的任务。
在姿态控制中，需要确定一个坐标系作为姿态参考坐标系。常用的参考坐标系包括地心惯性坐标系（Earth-centered Inertial Coordinate System）和局部地面坐标系（Local Terrain Coordinate System）等。此外，还需要引入航天器姿态表示方法，如欧拉角（Euler Angles）等，来描述航天器的姿态状态。
二、自适应控制技术在姿态控制中的应用
航天器姿态控制是一个非线性和时变的过程，复杂性非常高，因此传统的控制方法难以满足实时控制的需要。因此，自适应控制技术被广泛应用在姿态控制中，以提高控制系统的稳定性和精度。
自适应控制技术基于模型参数可调的假设，通过自动地调整控制器（控制系统的参数）来适应未知或难以测量的环境参数变化，因此能够应对航天器复杂的非线性和时变特性。 在进行航天器姿态控制时，自适应控制技术主要应用在两个方面：一是动态模型的建模，二是控制策略的优化。
1、动态模型的建模
自适应控制技术在动态模型的建模中需要解决的问题是，航天器非线性和时变特性的影响。在这个过程中，需要建立航天器的数学模型来描述航天器的运动规律。
对于姿态控制的问题，首先需要研究航天器姿态表示方法，例如欧拉角、四元数等。然后，需要根据航天器的运动特征和物理特性，确定一个描述航天器动力学行为的数学模型。在此基础上，可以应用自适应控制算法来对模型参数进行在线校准和优化，使得模型能够更好地反映实际情况。
基于自适应控制策略的帆板智能导航系统设计与性能评估
基于自适应控制策略的帆板智能导航系统设计与性能评估
1. 引言
帆板智能导航系统是一种结合了自适应控制策略和传感器技术的创新性系统，旨在提高帆船的导航性能和效率。本文将介绍基于自适应控制策略的帆板智能导航系统的设计原理和实现过程，并对其性能进行评估。
2. 设计原理
2.1 自适应控制策略
自适应控制策略是一种能够根据环境变化自动调整控制参数以实现最佳控制效果的控制方法。在帆板智能导航系统中，使用自适应控制策略可以根据风速、风向和船体姿态参数等实时数据，自动调整帆板控制参数，以实现最佳的速度和航向控制。
2.2 传感器技术
帆板智能导航系统需要准确获取环境参数和船体状态信息，以支持自适应控制策略的实施。因此，该系统设计了一套完备的传感器系统，包括风速传感器、风向传感器、陀螺仪和倾角传感器等。这些传感器能够实时采集和传输相关数据，为自适应控制策略提供准确的输入。
3. 系统设计与实现
3.1 控制算法设计
基于自适应控制策略的帆板智能导航系统采用了模型参考自适应控制（MRAC）算法。该算法通过建立帆板动力学模型，并将其与实际系统进行比较，实现参数更新和自适应调整。 3.2 硬件实现
帆板智能导航系统的硬件实现主要包括传感器模块、控制器模块和执行器模块。传感器模块用于实时采集环境参数和船体状态信息，控制器模块根据这些信息计算出最佳的控制参数，而执行器模块则负责根据控制参数驱动帆板的运动。
3.3 软件实现
帆板智能导航系统的软件实现包括数据采集与处理模块、控制算法模块和用户界面模块。数据采集与处理模块负责接受传感器数据并进行预处理和滤波，控制算法模块根据处理后的数据计算出最佳的控制参数，而用户界面模块则提供直观的图形化界面，方便用户监控和调整系统参数。
4. 性能评估
为了评估基于自适应控制策略的帆板智能导航系统的性能，我们进行了一系列的实验和测试。通过与传统导航系统进行比较，我们发现该系统具有以下优势：
石建峰李少华自适应控制课程设计报告
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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
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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。
基于有向图的航天器编队鲁棒自适应姿态协同跟踪控制
第３３卷第８期 ２０１２年８月 宇航学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ ２０１２
基于有向图的航天器编队鲁棒自适应姿态协同
跟踪控制
张海博，胡庆雷，马广富
（哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨１５０００１）
摘要：针对一组有向通讯拓扑关系的编队航天器的协同控制问题，考虑航天器的模型不确定性（指惯量不
确定性）以及受到的外部干扰的影响，设计了分布式自适应协同姿态跟踪控制器，使得各航天器姿态协同的同时跟
踪时变的期望姿态。首先，针对由ＭＲＰ参数描述的航天器误差动力学方程，选取了包含相对误差项以及绝对误差
项的滑模面，将模型不确定项和外界干扰项作为整体处理，基于Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定性理论给出了非回归项的自适应算
法和分布式协同跟踪控制律的设计方法，以使得各航天器协同收敛到期望的姿态，最后通过仿真验证了该算法的
有效性、可行性。
关键词：有向图；修正罗德里格参数（ＭＲＰ）；自适应控制；协同控制
中图分类号：Ｖ４４８．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１３２８（２０１２）０８—１０７２－０８
ＤｏＩ：１０．３８７３／ｉ．ｉｓｓｎ．１０００—１３２８．２０１２．０８．Ｏ１ １
Ｒｏｂｕｓｔ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉ－Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ
Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｌｉｇｈｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｇｒａｐｈ
ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ—ｂｏ，ＨＵ Ｑｉｎｇ－ｌｅｉ，ＭＡ Ｇｕａｎｇ－ｆｕ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ—
基于无模型自适应控制的底栖式AUV路径点跟踪控制
基于无模型自适应控制的底栖式AUV路径点跟踪控制
高鹏;万磊;徐钰斐;陈国防;张子洋
【期刊名称】《水下无人系统学报》
【年(卷),期】2022(30)4
【摘 要】为了解决海洋环境不确定因素高、底栖式自主水下航行器(AUV)模型参数难以精确确定等问题,将无模型自适应控制(MFAC)方法应用于路径点跟踪控制系统中。针对传统MFAC方法在航向控制中可能存在的积分累加效应引起的收敛速度慢、跟踪精度低等问题,设计了一种改进的MFAC航向控制器,证明了航向控制误差的有界性。接着,针对封闭型视线法制导算法应用于路径点跟踪控制时AUV在路径点切换处航向控制超调较大的问题,提出了一种双曲正切型航速调整策略,该策略可以明显促进AUV在路径点切换处的平滑过渡并改善跟踪误差的收敛速度。最后,进行了底栖式AUV航向控制以及路径点跟踪控制外场试验,验证了所设计算法的有效性和优越性。
【总页数】12页(P429-440)
【作 者】高鹏;万磊;徐钰斐;陈国防;张子洋
【作者单位】哈尔滨工程大学船舶学院水下机器人技术重点实验室
【正文语种】中 文
【中图分类】U674.941;TJ630.34
【相关文献】 1.基于路径参数一致性的多AUV协同路径跟踪控制2.基于模型预测控制的欠驱动AUV直线路径跟踪3.基于无模型自适应控制算法的机械臂轨迹跟踪控制4.基于无模型自适应控制的设施园艺自动导航车辆路径跟踪5.基于固定时间扩张状态观测器的底栖式AUV点镇定控制
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第4章 自适应跟踪装置的基本原理与应用
第4章 自适应跟踪装置的基本原理与应用
76 第4章 自适应跟踪装置的基本原理与应用
4.1自适应跟踪的原理
4.1.1自适应跟踪的基本思想
世界上用于光伏发电的太阳跟踪装置已经发展30多年了。研制了各种支架结构，发明了各种跟踪控制方法，真是形形色色，五花八门。要实现对太阳跟踪，其中驱动系统和控制系统最为关键，对这部分的改进和创新也最多，目的都是为了使跟踪机构和跟踪控制，变得更简单、更可靠、更经济。
众所周知，所谓的对太阳跟踪，实际是对太阳的直接辐射进行跟踪，对散射辐射基本没有影响。那种按时间程序控制的方式，阴雨天照样跟踪，其实是一种浪费，遇大风时，电机容易堵转丢步，时间控制便会累积误差。常规的光电传感器控制方式，虽然是跟踪太阳的直接辐射，但跟踪的稳定性受制于天气情况和光电传感器的状态。这两种控制方式的跟踪精度较高，但控制环节多，系统较复杂，都需要外界电源供电，系统的耐候性和可靠性较差。
受光电传感器控制方式的启发，如果直接采用背靠背的两块光伏组件作为传感器，在不同的太阳辐照度下，其输出电流的差值能够驱动电机、传动装置和光伏组件平台转动，那么就可以省去常规光电传感器控制系统中的那些检测、分析、比较和驱动等控制电路，也可以省去外界电源，控制系统就变得非常简单了。
对于平板式光伏方阵的跟踪装置来说，跟踪精度不要求太高，如在±10º以内，发电量的损失就不大了，这就给这种设想提供了可能性。如果两块背靠背组件都设置成与光伏组件平台垂直，其中一块背靠背组件被太阳直接辐射，另一块就必然处于阴影之中，只要直接辐射光线对组件的入射掠角小于10º时，两组件输出电流之差值能够驱动电机转动，那么就能够达这样的跟踪精度。一旦入射掠角很小不足以驱动电机转动时，光伏组件平台便停止转动。
这是一种简单的自适应控制方式，两块背靠背光伏组件将传感器、控制器和电源集于一身，能够根据太阳方位的变化自主调整光伏组件平台面向太阳。为了与光伏组件平台上的组件相区别，我们把这两块背靠背光伏组件称之为感光组件。这样，不管遇到什么天气，不管光伏组件平台处于何种方位，只要出现一定强度的太阳，至少有一块感光组件能够接受到较多的太阳辐射，进而驱动电机转动，自行控制光伏组件平台对太阳定向。 第4章 自适应跟踪装置的基本原理与应用