无人艇航迹跟踪GPC-PID串级控制

2015年03月02日11:50:06 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

关键字：计算机

摘要：水面无人艇（unmanned surface vehicle,USV）系统存在有大惯性、长时滞、非线性、难以建立精确模型等问题，易受海浪等外界干扰的影响，采用传统的PID控制难以达到良好的航迹跟踪控制效果。为了实现更好的控制效果，基于广义预测理论，将其与PID控制相结合，设计了GPC-PID串级控制器，分别控制无人艇的转艏运动和操舵运动，并采用分离式控制方案，通过航向控制间接实现无人艇的航迹跟踪控制。从matlab仿真实验结果可以看出，GPC-PID控制器具有良好的航向控制与航迹跟踪控制效果，具有响应速度快，控制精度高，鲁棒性好，抗干扰能力强等优点。

关键词：水面无人艇；航迹跟踪控制；GPC-PID串级控制器；分离式控制

中图分类号：ＴＰ２７３　　　文献标志码：Ａ

１　引　言

水面无人艇在海上航行时，会遇到流、浪等外界不确定因素的干扰，并且其控制呈现大惯性、长时滞、非线性等特点，易受模型参数摄动［1］，运动情况复杂，难以建立精确的数学模型。

目前，常用的无人艇航迹跟踪控制策略有模糊控制、自抗扰控制［2］、自适应控制、滑模控制［3-5］、PID控制［6］、Backstepping方法［7-9］等，但都有其局限性，如需要精确的数学模型，对控制参数选择敏感、鲁棒性不强。

广义预测控制（GPC）是一种基于计算机的采样控制算法，具有多步预测、滚动优化、反馈校正、对模型结构要求低等特点，适用于存在大时滞的系统中；PID控制具有算法简单，响应速度快、可靠性高等特点。针对无人艇运动控制的难点，本文结合广义预测控制和PID控制来实现无人艇的航迹跟踪控制。

２　无人艇航迹控制方案

无人艇航行时，要求舵角δ克服外界干扰，使其轨迹维持在设定的航迹上。此时，既要消除航向误差Δψ，还要消除航迹误差η。无人艇的航迹控制可分为两种情况：综合控制和分离控制。在综合控制方法中，航迹控制器控制舵角，同时实现消除航迹偏差和航向偏差，其控制过程属于单入双出。综合控制法的控制精度高，但系统调试难度大，运用灵活性不足［10］。分离控制法是通过实时改变无人艇的航向来间接消除航迹偏差，该方法把航迹控制系统分为３个相互嵌套的环，分别为航迹控制环、航向控制环和舵角控制环。该方法通过控制舵角δ使得艇航行于设定航向ψｒ上；通过控制航向ψ来消除艇的航迹偏差η，较终达到使无人艇按设定航迹航行的控制效果。分离控制更接近人的实际操作，航迹控制和航向控制相对分离，便于这两种模式相互转换，在设计软硬件时便于采用模块化结构，因此无人艇的控制方案将采用分离控制方法。

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