专利名称：潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种水下潜器推进器的控制方法，具体是一种潜器全方位推进器液压操纵控制方法。
背景技术：
潜器全方位推进器是通过调整螺旋桨螺距角，来产生不同方向的力(矩)，从而使潜器全方位推进器按预期的方向运动。螺距角的调整是通过联结到一个旋转运动斜盘上的机械传动装置驱动实现的。所以对潜器全方位推进器的控制是通过对斜盘的控制实现的。 运动斜盘的转动用三个液压油缸的位移运动完成，将三个液压油缸位移运动的组合转换成运动斜盘空间三个自由度的运动(两个旋转角，一个位移)，而每个液压油缸的位移运动是由一个闭环电液伺服系统来控制和驱动的。为满足运动斜盘空间位置和运动姿态的要求，就要把三个独立的电液伺服系统有机地协调起来，使其按照设计的要求，实现三个液压缸伸缩程度和伸缩速度的不同组合，决定斜盘在3维空间的不同位置和运动姿态，而单通道电液位置伺服系统的控制精度是潜器全方位推进器正常工作的保证。针对电液伺服系统PID控制器参数难以确定等问题，可采用遗传算法对PID调节参数进行寻优，但传统的基本遗传算法通常会带来遗传算法的欺骗问题，即早熟问题和进化缓慢问题。对于基本遗传算法存在的问题，采用交叉概率和变异概率可以根据适应度值进行自动调整的自适应遗传算法对PID控制器中的参数进行自动选取。自适应遗传算法有很强的搜索能力，从而为寻找全局最优解提供了保障，为解决PID 的参数选取问题提供了一条有效的途径，从而提高了电液伺服控制系统的控制精度和鲁棒性。经对现有的技术文献检索发现，(有遗传算法优化PID参数，但没有在潜器全方位推进器电液系统中的应用)没有发现与本发明主题相同或类似的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对于海情的变化具有较好的自适应功能，能节约系统能耗的潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制方法。本发明的技术方案如下潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制方法主要包括模型辨识、控制参数优化、位置偏差检测环节；当潜器处于某一海况下，通过辨识得出潜器全方位推进器运动的数学模型，并在所述模型的基础上进行遗传算法优化PID参数的操作，将优化所得的参数赋给实际的潜器全方位推进器控制系统，潜器在所述优化所得的参数下进行姿态调整或动作；在调整过程中，不断检测螺距角偏差的数据统计值，若海情发生变化，潜器运动方程的参数随之改变，当潜器运动方程的参数值超出设定范围时，重新辨识模型并再次优化PID 参数。所述遗传算法优化PID参数的方法为
首先对PID控制器的三个控制参数比例系数kp、积分系数k”微分系数kd按一定的取值范围进行二进制编码得到三个字串，再把三个字串连成一串构成遗传空间中的个体； 随机生成一定数量的个体，由遗传算法对每个个体进行适应度评估，以此作为选择操作的依据，再根据交叉概率和变异概率对各个体进行操作产生新的个体，自适应遗传算法的交叉概率和变异概率不是固定不变的，而是根据个体适应度情况自适应变化的，新的个体再进行适应度评估以及遗传操作，反复循环直至满足优化准则。所述不断检测螺距角偏差的数据统计值的方法为螺距角偏差检测环节通过每段时间间隔内螺距角偏差的标准差来表述，若有螺距角偏差的标准差小于检测螺距角偏差统计值K，则认为控制系统在该段时间间隔内的潜器姿态或动作控制精度满足要求，系统继续运行；反之则认为系统控制精度不满足要求，说明PID参数已不适合潜器控制系统，此时重新辨识模型，进行新一轮的PID参数优化操作。本发明的目的在于潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制系统根据海情变化，利用改进遗传算法自适应调节PID控制器参数，达到控制系统精度要求。若海情发生变化，则通过系统辨识环节得到潜器全方位推进器姿态运动的数学模型，并在该模型的基础上利用自适应遗传算法对传统电液伺服系统的PID控制器进行优化设计，经优化后PID控制器，在不需要给出调节器初始参数的情况下，仍能寻找到合适的参数，使控制目标满足要求，并有效提高控制效率，并在系统参数发生变化时也能很快根据要求进行参数调节，满足系统在实际工作中的需求，解决许多自整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而非连续的自整定模式，克服传统的基本遗传算法通常会带来遗传算法的欺骗问题，最后将优化结果赋予实际的潜器全方位推进器姿态控制系统。本发明的优点在于潜器全方位推进器单通道电液位置伺服系统是一种复杂的机、电、液耦合系统，存在着非线性、不确定性、外界干扰，由于对电液位置伺服系统控制品质要求较高，传统的基于线性定常的PID控制已不能满足控制品质的需要，提出了一种带有智能协调控制器的常规PID控制、遗传算法寻优策略相结合的潜器全方位推进器单通道电液位置伺服智能控制方法。该方法与基于单纯PID控制系统相比对于海情的变化具有较好的自适应功能，同时， 由于参数整定及时，有效地抑制了潜器全方位推进器电液位置幅值的增大，节约了系统能耗。该系统简单、易于实现，具有工程应用价值。
图1潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制算法流程图；2b自适应遗传算法优化电液位置伺服PID控制器参数过程示意图；图3电液位置伺服控制系统方波响应图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细的描述结合图1，通过在常规PID控制的基础上引入航向误差检测环节、系统辨识环节和遗传算法优化环节，既利用了遗传算法对PID参数的优化功能，又使航向保持系统能够自适应的工作。
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为获取满意的过渡过程动态特性，采用误差绝对值时间积分性能指标作为参数选择的最小目标函数。为了防止控制能量过大，在目标函数中加入控制输入平方项。选用下式作为参数选取的最优指标
权利要求
1.一种潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制方法，主要包括模型辨识、控制参数优化、位置偏差检测环节；其特征是当潜器处于某一海况下，通过辨识得出潜器全方位推进器运动的数学模型，并在所述模型的基础上进行遗传算法优化PID参数的操作，将优化所得的参数赋给实际的潜器全方位推进器控制系统，潜器在所述优化所得的参数下进行姿态调整或动作；在调整过程中，不断检测螺距角偏差的数据统计值，若海情发生变化，潜器运动方程的参数随之改变，当潜器运动方程的参数值超出设定范围时，重新辨识模型并再次优化PID参数。
2.根据权利要求1所述的潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制方法，其特征是所述遗传算法优化PID参数的方法为首先对PID控制器的三个控制参数比例系数kp、积分系数k”微分系数kd按一定的取值范围进行二进制编码得到三个字串，再把三个字串连成一串构成遗传空间中的个体；随机生成一定数量的个体，由遗传算法对每个个体进行适应度评估，以此作为选择操作的依据，再根据交叉概率和变异概率对各个体进行操作产生新的个体，自适应遗传算法的交叉概率和变异概率不是固定不变的，而是根据个体适应度情况自适应变化的，新的个体再进行适应度评估以及遗传操作，反复循环直至满足优化准则。
3.根据权利要求1或2所述的潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制方法，其特征是所述不断检测螺距角偏差的数据统计值的方法为螺距角偏差检测环节通过每段时间间隔内螺距角偏差的标准差来表述，若有螺距角偏差的标准差小于检测螺距角偏差统计值K，则认为控制系统在该段时间间隔内的潜器姿态或动作控制精度满足要求，系统继续运行；反之则认为系统控制精度不满足要求，说明PID参数已不适合潜器控制系统，此时重新辨识模型，进行新一轮的PID参数优化操作。
全文摘要
本发明提供的是一种潜器全方位推进器单通道电液位置伺服控制方法。主要包括模型辨识、控制参数优化、位置偏差检测环节；当潜器处于某一海况下，通过辨识得出潜器全方位推进器运动的数学模型，并在所述模型的基础上进行遗传算法优化PID参数的操作，将优化所得的参数赋给实际的潜器全方位推进器控制系统，潜器在所述优化所得的参数下进行姿态调整或动作；在调整过程中，不断检测螺距角偏差的数据统计值，若海情发生变化，潜器运动方程的参数随之改变，当潜器运动方程的参数值超出设定范围时，重新辨识模型并再次优化PID参数。该方法对于海情的变化具有较好的自适应功能，节约系统能耗。简单、易于实现，具有工程应用价值。
文档编号G05B13/04GK102426418SQ20111029268
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者傅荟璇, 李冰, 杜春洋, 王宇超 申请人:哈尔滨工程大学