端口受控哈密顿方法的电力双推进无人船航向航速控制

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1、端口受控哈密顿方法的电力双推进无人船航向航速控制1,2,3,412,3,42,3,42,3,42,3,4吕成兴,于海生,周忠海,臧鹤超,张风丽,张照文(1.青岛大学自动化与电气工程学院,山东青岛266071;2.齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266033;3.山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东青岛266033;4.国家海洋监测设备工程技术研究中心,山东青岛266033)摘要:以电力双推进无人船航速航向控制为主要研究问题,使用永磁同步电机作为无人船螺旋桨的驱动电机,采用基于端口受控哈密顿(PCH)方法,有效的降低了系统损耗,使

2、无人船驱动系统输出功率得到了优化。仿真结果表明,系统能较快达到稳定状态,实现了无人船的速度控制要求,提升了无人船系统的续航能力。关键词:端口受控哈密顿方法;航速航向控制;无人船;永磁同步电机中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:1000-3096(2018)01-0134-05DOI:10.11759/hykx20171011023无人船作为多用途的观测平台,具有隐身性好、损耗较小,有效提高了无人船的电力续航能力。操纵灵活、自动驾驶等特点,适合在各种恶劣环境下,1系统硬件平台设计搭载多种海洋测量传感器用于相关海洋测量领域,[1-2]将成为海洋观测领域的一种重

3、要技术手段。本文所搭建了USV实验平台如图1所示。无人随着通信、人工智能等新兴技术的发展,各国加船由固定在艇体尾部左右的螺旋桨产生的推力进行大了无人船的研发力度。早在2000年美国MIT的无驱动,螺旋桨由永磁同步电机驱动。人艇研究小组已经针对自主海岸勘探系统设计出“AutoCat”号双体无人艇。随后国内相关单位也对无人船进行了相应的研究。无人船需要在复杂的海洋环境中自主航行和作业,并且作业时要求系统在保持与期望的轨迹跟踪精度同时,又能够具有良好的机动性能,对操纵性、控制性能和可靠性均提出了苛刻的要求。目前无人图1USV实验研究平台船航向航速的控制方法主要包括:PID控

4、制、Fig.1TheresearchplatformofUSVBackstepping控制、Lyapunov控制等控制算法。在[3-5]文献中使用了李雅普诺夫直接法和反步法相结合无人船实验平台硬件包括:[6]的方法对无人船的轨迹进行跟踪控制,张晓杰等(1)嵌入式计算平台,用于综合处理数据信号进行了直流电机驱动固定双桨的无人水面艇行运动和控制信号,运行控制算法,向操纵执行机构发送[7]仿真工作,万磊等设计了非完全对称欠驱动无人控制信号;艇的轨迹跟踪控制器,实现了非完全对称欠驱动高速无人艇的任意参考轨迹的跟踪控制。收稿日期:2017-10-11;修回日期:2017-12-

5、30近年来,具有实际物理意义的互联和阻尼配置基金项目:国家自然基金面上项目(61573203);国家重点研发计划项目无源性控制方法在非线性系统的控制中得到广泛使(2016YFC1400802)[8-10][Foundation:NationalNaturalScienceFoundationofChina(61573203);用。本文以电力双推进无人船自主运动控制为研NationalKeyResearchandDevelopmentProgram(2016YFC1400802)]究对象,其中航速航向为无人船完成复杂航行任务的作者简介:吕成兴(1983-),男,高级工程

6、师,博士研究生,主要从事无关键问题。使用永磁同步电机作为无人船的驱动电机,人船运动控制的研究,电话:0532-58628502,E-mail:lcx2033@163.com;于海生(1963-),通信作者,男,教授,博士生导师,主要研究方向为采用基于端口受控哈密顿(PCH)方法,使系统的能量电能变换与电机系统的非线性控制,E-mail:yu.hs@163.com134海洋科学/2018年/第42卷/第1期(2)传感器测量模块,用于测量船体的速度、位3端口受控哈密顿方法的航速航行置、信息以及航向、航姿信息的采集;(3)推进驱动模块,驱动航向、航速控制的执行控制器设计机构

7、,如螺旋桨、喷水推进器。电力双推进无人船可被看作是一种二端口的能2系统模型量变换装置,并且能量守恒,利用端口受控哈密顿(PCH)控制方法的能量成形、互联配置和阻尼注入由于无人艇航行的阻力,螺旋桨的推力和电动来确定该系统的行为。端口受控耗散哈密顿系统模机的特性都是非线性的,因此所建立的模型也是非[8]型为:线性的。无人船的运动控制主要研究在艏摇、纵荡H和横荡3个方向上的运动,我们采用广泛应用的qqFossen[11-12]动力学和运动学模型分别为(1)和(2):[(,)(,)]JqpRqpGq()pH