利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法

摘要

本发明提供的是一种利用气垫船执行机构实现的航向广义切换控制方法。(1)外层广义监督器监督气垫船控制系统的模拟量信号，并对所述模拟量信号进行分级量化；(2)对不同环境和船体姿态信息下制定出控制类，在每个控制类内层又包括操纵面协调控制的控制方案组合；(3)通过分级量化得到相应激活权值的输出，即信号y

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种气垫船的航向广义切换控制方法，具体地说是一种利用环境 和船体的多方位信息、基于CMAC的气垫船特有执行机构的广义切换控制方法。

背景技术

目前，国内外对气垫船航向控制方面的研究已经有了一定的研究成果，但是大部 分都是通过操纵气垫船的空气舵进行航向控制。另外，气垫船早期采用人工操控方式，主要 是依靠驾驶员观察气垫船空间运动参数的变化，直接操纵执行机构。由于全垫升气垫船在 风浪中航行时稳定性较差，采用人工操纵方式，不容易得到较好的控制品质，甚至可能会造 成气垫船的高速回转和侧滑等危险的航行状态，更甚还可能造成翻船等严重事故。

为了提高操控水平，节省时间和能源，使气垫船能够按照期望的航向航行或回转， 国内外都进行了大量的研究。美国的费恩等科学家建立了气垫船四自由度操纵运动模型， 并分析了全垫升气垫船的操纵性，提出了各种情况下相对优越的控制方案。Damon Cummings等人还建立了气垫船的六自由度空间运动数学模型，利用牛顿迭代法对其求解， 但是此类数学模型时理想化的模型。HebertSira-Ramirez将二阶动态滑膜控制用于气垫 船的航迹控制，采用状态反馈方法实现了系统解耦，具有较好的鲁棒性。但是以上系统大部 分都是通过操纵气垫船的空气舵来实现航向控制的。

切换控制在处理不确定性问题和复杂系统具有优越性。有时，为了方便处理问题， 可以把一些系统视为混杂系统，然后用一组简单的子系统去替换复杂的非线性公式，并且 在这组子系统之间进行切换，以达到控制要求。传统意义上，切换控制系统一般都是由多个 控制器和监督器组成，多控制器是由多个控制器组成，监督器包括多估计器、切换指标函数 和离散状态的切换逻辑，如图3。监督器利用控制对象的输入输出信号估计每个模型与控制 对象之间的偏差，然后切换指标函数利用估计偏差信号产生一个衡量各个模型精确性的标 准评判信号μ_P，然后再由切换逻辑决定是否切换到最小监督信号μ_P所对应的控制器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现气垫船航向的自动控制，减轻驾驶人员的工作 强度和精神负担，提高操控水平和航行稳定性的利用气垫船执行机构实现的航向广义切换 控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)外层广义监督器监督气垫船控制系统的模拟量信号，并对所述模拟量信号进 行分级量化，所述模拟量信号包括横倾角、航速、风速；

(2)控制类组，对不同环境和船体姿态信息下制定出控制类，在每个控制类内层又 包括操纵面协调控制的控制方案组合；

(3)外层切换逻辑，通过分级量化得到相应激活权值的输出，即信号y_j，激活响应 的第j个控制类，并根据期望输出信号和实际输出信号的偏差大小，对外层连接权值进行更 新；

(4)内层切换逻辑，控制类内部通过滞留切换逻辑执行对应的多操纵面协调控制 方案，并对控制方案进行实时更新。

本发明的全垫升气垫船的航向切换控制方法，利用气垫船旋转喷管、螺旋桨、侧风 门以及空气舵等操纵面更特有执行机构，通过这些执行机构对气垫船进行航向控制和回转 控制。本发明通过对横倾角、航向、风速以及航速等一系列信号的采集监督，设计了基于小 脑模型CMAC的外层广义监督器和外层的广义切换功能，并且基于传统切换控制方法设计了 内层的滞后切换逻辑。较普通控制方法而言，此控制方法更加有效，使气垫船的回转更加稳 定和快速。

本发明具有以下几点优点：

CMAC是局部逼近网络，网络对于每个输入输出数据，只有少数的几个连接权需要 进行调整，学习速度较快，可以满足气垫船控制的实时性要求。另外，CMAC作为一种具有联 想功能的神经网络，具有泛化能力，因此相似的输入将产生相似的输出，这从源头上有效的 避免控制输出指令的剧烈变化，减少操纵面的动作幅度和频率，有利于减小机械磨损，并且 节省能源。

传统切换控制只是单纯的在控制器之间进行切换，本发明由于广义监督器的存 在，对不同控制方案按照相似度进行了分类，而且控制方案又可实时更新，这有效的提高了 气垫船操纵的稳定性和灵活性。

与传统的协调控制相比较，省去了繁琐的力矩协调分配算法，而直接通过更新内 层比重因子而获得最优的协调控制方案。另外，本发明将系统控制的复杂性和不确定性分 解到外层权值和内层比重因子的同时更新修正两个部分，提高系统控制的精确性。

附图说明

图1气垫船特有执行机构的航向广义切换控制系统原理框图。

图2基于CMAC基本架构的输入输出流程图。

图3传统切换控制的原理框图。

图4a-图4c气垫船模拟量信息的二维分层量化原理图。

图5外层权值学习原理说明图。

图6内层比重因子更新过程。

图7滞留切换逻辑原理流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，步骤如下：

(1).首先，建立气垫船空间运动坐标系、各个操纵装置的数学模型，以及气垫船运 动数学模型，建立全垫升气垫船的6自由度运动数学模型:

参数含义如下，其中ξ,η,ζ分是固定坐标系的坐标系，分别指向正北、正东和地心， ψ是艏向角，θ是纵倾角，是横倾角，u,v,r分别是轴向速度，p,r,q分别为姿态角速度。由于 气垫船是全垫升状态，一般不考虑升沉运动，另外为了简化模型，可不考虑水动力对纵情运 动的影响。

(2).分层量化阶段，然后采集当前时刻的实际航向角ψ、期望航向角ψ_d、侧滑角β、 横倾角航速V以及绝对风速V_w等信号，送入广义监督器。实际输出与期望输出之间一定 会有误差，设定容许偏差可以避免权值无限更新下去，从本源上减少了不同控制方案之间 的连续快速切换，避免了执行器的过度磨损，延长了执行器的寿命，侧面保证了气垫船操纵 的安全性和稳定性，并根据以上各个可控信息量的属性，设定与最佳期望值的容许偏差的 最大上限，分别记为广义监督器现对采集到的模拟量进行分层量化，切割成许多 不连续的值，这些不连续的参考状态分别对应到CMAC中不同的记忆空间，原理图见图4a-图 4c。

图4a-图4c中采用二级量化，将航速与横倾角进行了划分。将航速按照要求不等分 为了四个等级，将横倾角不等分为三个等级，然后对这两个状态进行分层量化，第一层是A、 B和a、b、c，第二层时C、D和d、e、f。则Aa，Ab，Ac，Ba，Bb，Bc是第一层的6个索引存储单元(记忆 空间)，Cd，Ce，Cf，Dd，De，Df是第二层的6个索引存储单元。只有同一层的不同变量的分块组 合才能形成索引单元。显然，分级的层数越多，局部泛化的能力就越大。依据上面所述的量 化方法，将航速、横倾角、侧滑角等监督器的监督的信号，同理都可按照已有的实验数据进 行合理分块量化。

内层中的控制方案采用多操纵面协调控制的控制方法。协调控制的设计思想时对 复杂问题进行分解，将控制问题进行量化，分成若干子任务，根据不同环境情况对子任务进 行选择和处理。因为每个控制子任务之间有联系，只有处理好相互之间的关系，整个系统的 性能才能是最优的。常见的协调控制方式是对两个相关执行器或子系统进行协调，从而实 现某个目标下的最优分配。

气垫船的操纵面较多，而且含有许多特有执行机构，考虑多个操纵面之间的相互 联系，针对控制问题，对每个操纵面设定不同的初始比重因子，得到不同的协调控制方案。

(3).外层权值更新阶段。根据当前激活权值的取和输出，选择相应的控制类，并按 照y_j选择最佳控制方案并执行，作用于气垫船。最后将期望输出与实际输出比较，判断偏差 大小是否超过最大上限如果超过上限则对外层权值进行更新修正，原理框图见图 5。本发明对外层权值修正大小给出上下限范围或者修正次数上限，如果在权值权值修正到 达临界范围时，或者达到次数上限时，偏差大小仍然还大于最大容许上限时，跳转到第5步。

对外层激活单元的权值调整规则取为:

$W_l\left(k\right)=W_l(k-1)+\beta \frac{{\delta }_d-\delta }{\bar{\delta }}$

其中是对应的允许误差极限，当误差超过时进行权值修正，否则权值不变。β(0 ＜β＜1)是学习系数。

(4).切换控制阶段。在相应的控制类内根据滞后切换逻辑，进行不同方案之间的 切换，滞后切换逻辑见图7。

全垫升气垫船操纵性较差，单一的控制面难以满足控制要求，本发明在以往实验 数据的基础上，针对不同的环境和姿态，对各个操纵面进行了控制方案设计，使气垫船的操 纵性能得到了改善。控制方案的设计，是将得到的控制量分配到不同的操纵面，针对不同情 况各个操纵面执行量占总控制量的比重不同，比重因子在第5部分进行最优动态更新设计。

考虑传感器的测量误差以及环境的瞬时变化，为了保证气垫船控制系统的稳定 性，在控制方案的切换时，引入一种的切换逻辑，即滞后切换逻辑。该逻辑通过引入一个滞 后常数来延缓切换动作，抵抗不合适的切换带来的副作用。根据图7，滞后切换逻辑可以描 述如下：

1.在每个采样时刻，采集到广义监督器的输出信号y_j，找出对应的控制方案k：

k＝i:C_ji-1＜y_j＜C_ji

其中C_ji是用来划分控制方案i和控制方案i+1的端点值。

2.假设在某个时刻，y_j＞C_ji，系统会保持控制方案i不变，直到某个时刻满足：

C_ji+1＞(1-h)y_j＞C_ji

才进行切换，其中1>h>0是滞后常数，防止切换过于频繁。

(5).内层比重因子更新阶段。当权值权值修正到达临界范围时，偏差大小仍然还 大于最大容许上限时，对当前控制类中操纵面所对应的内层比重权值因子进行动态更新。

对某些情况，CMAC广义监督器的外层权值更新次数过多而仍然无法满足要求时， 说明存储区的分配不是最优的，或者现有的控制方案不能满足气垫船的控制精度。而因为 存储区的分配是已经选定的，所以此时需要对控制方案的初始比重因子进行动态更新，见 图6。

内层比重因子更新，直到输出满足精度要求，则将当前更新的比重因子存储起来， 并建立与之对应的一个新的多操纵面协调控制方案，即设定它的初始比重因子为此次更新 比重因子。