無人艇航跡跟蹤GPC-PID串級控制

2015年03月02日11:50:06 本網站我要評論(2)字號：T | T | T

關鍵字：計算機

摘要：水面無人艇（unmanned surface vehicle,USV）系統存在有大慣性、長時滯、非線性、難以建立精確模型等問題，易受海浪等外界干擾的影響，采用傳統的PID控制難以達到良好的航跡跟蹤控制效果。為了實現更好的控制效果，基于廣義預測理論，將其與PID控制相結合，設計了GPC-PID串級控制器，分別控制無人艇的轉艏運動和操舵運動，并采用分離式控制方案，通過航向控制間接實現無人艇的航跡跟蹤控制。從matlab仿真實驗結果可以看出，GPC-PID控制器具有良好的航向控制與航跡跟蹤控制效果，具有響應速度快，控制精度高，魯棒性好，抗干擾能力強等優點。

關鍵詞：水面無人艇；航跡跟蹤控制；GPC-PID串級控制器；分離式控制

中圖分類號：ＴＰ２７３　　　文獻標志碼：Ａ

１　引　言

水面無人艇在海上航行時，會遇到流、浪等外界不確定因素的干擾，并且其控制呈現大慣性、長時滯、非線性等特點，易受模型參數攝動［1］，運動情況復雜，難以建立精確的數學模型。

目前，常用的無人艇航跡跟蹤控制策略有模糊控制、自抗擾控制［2］、自適應控制、滑模控制［3-5］、PID控制［6］、Backstepping方法［7-9］等，但都有其局限性，如需要精確的數學模型，對控制參數選擇敏感、魯棒性不強。

廣義預測控制（GPC）是一種基于計算機的采樣控制算法，具有多步預測、滾動優化、反饋校正、對模型結構要求低等特點，適用于存在大時滯的系統中；PID控制具有算法簡單，響應速度快、可靠性高等特點。針對無人艇運動控制的難點，本文結合廣義預測控制和PID控制來實現無人艇的航跡跟蹤控制。

２　無人艇航跡控制方案

無人艇航行時，要求舵角δ克服外界干擾，使其軌跡維持在設定的航跡上。此時，既要消除航向誤差Δψ，還要消除航跡誤差η。無人艇的航跡控制可分為兩種情況：綜合控制和分離控制。在綜合控制方法中，航跡控制器控制舵角，同時實現消除航跡偏差和航向偏差，其控制過程屬于單入雙出。綜合控制法的控制精度高，但系統調試難度大，運用靈活性不足［10］。分離控制法是通過實時改變無人艇的航向來間接消除航跡偏差，該方法把航跡控制系統分為３個相互嵌套的環，分別為航跡控制環、航向控制環和舵角控制環。該方法通過控制舵角δ使得艇航行于設定航向ψｒ上；通過控制航向ψ來消除艇的航跡偏差η，較終達到使無人艇按設定航跡航行的控制效果。分離控制更接近人的實際操作，航跡控制和航向控制相對分離，便于這兩種模式相互轉換，在設計軟硬件時便于采用模塊化結構，因此無人艇的控制方案將采用分離控制方法。

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無人艇航跡跟蹤GPC-PID串級控制

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