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专利号: 2023107123919
申请人: 济南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2026-02-06
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于改进型海上救援飞翼扰动观测PID控制方法,其特征在于,具体步骤如下:步骤一、基于扰动观测法,建立海上救援飞翼控制数学模型,通过扰动观测控制减小救援飞翼控制受环境的影响;具体步骤为:Q1、建立救援飞翼的动力学模型、系统的扰动数学模型;

Q2、基于系统扰动数学模型设计扰动观测器;

Q3、使用电子指南针,收集实时的航向测量数据,这些数据用作扰动观测器的输入,用于估计当前的航向扰动;

Q4、将扰动观测器与救援飞翼的控制系统集成,使用扰动观测器对测量数据进行处理,以实时地估计航向的扰动;

Q5、计算目标航向角度和电子指南针测得的实际航向角度差值Err;

所述Q1中,救援飞翼的动力学模型为:

式中,K0是船舶回转性参数,取值为0.26,T0为船舶操纵性能指数,取值为96.23;

系统的扰动数学模型为:

步骤二、改进鱼鹰优化算法,包括两处改进;

D1、在算法开发阶段,首先引入最优个体加快算法收敛效率,然后改进扰动参数r1,并利用r1引入自适应权重W来调节最优个体对搜索的影响程度,改进公式如式(1)和式(2)所示:(1);

式中,r1为改进后扰动参数,t为当前迭代次数,T为总的迭代次数;

(2);

式中,W为自适应权重,rend为最终迭代的扰动参数,rt为当前迭代的扰动参数,t为当前迭代次数,T为总的迭代次数;

D2、算法在进行位置更新时,会遇到陷入局部最优的情况,引入一种停滞监测机制使算法在陷入停滞时重新生成新个体;停滞监测机制分两步:第一步、采用前一半优势种群的平均适应值来判断算法是否陷入停滞,如果优势种群的平均适应值在连续3次迭代中没有发生变化,则认为算法搜索陷入停滞;

第二步、当算法陷入停滞时,根据式(3)重新生成新个体,帮助算法跳出局部最优;

(3);

式中, 为鱼鹰个体新位置, 为从优势种群中随机选择的一个个体,此外,通过引入一个余弦函数 来调整鱼鹰搜索的步长;

步骤三、根据扰动观测器的输出与实际扰动信号之间的误差,生成一个补偿信号,将Err和补偿信号添加到救援飞翼控制器的输入中,利用改进鱼鹰优化算法优化海上救援飞翼的PID控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进型海上救援飞翼扰动观测PID控制方法,其特征在于,所述步骤一中,Q2中,基于系统扰动数学模型设计扰动观测器,扰动观测器使用扩展卡尔曼滤波器的方式,扰动观测器数学公式为:;

式中,Utotal是控制输入K为跟踪参考信号的控制增益,表示观测器输出与实际扰动信号之间的误差放大系数,Xr为参考状态,X为当前系统状态,U是控制输入,为扰动信号的估计值。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进型海上救援飞翼扰动观测PID控制方法,其特征在于,所述步骤三中,利用改进鱼鹰优化算法优化海上救援飞翼的PID控制器,具体步骤为:S1、基于最小二乘法构建优化目标函数,用于计算适应度值,目标函数的公式为:;

式中,J为目标函数,t_des为期望的航向角,t_act为当前的航向角;

S2、初始化改进鱼鹰优化算法初始参数,如最大迭代次数、种群规模、待优化问题维度和搜索空间、约束条件;

S3、初始化种群,各个鱼鹰个体初始位置在搜索范围内随机产生,并基于目标函数计算得到适应度值;

S4、计算改进后扰动参数r1和自适应权重W,并为停滞监测机制初始化参数;

S5、算法搜索阶段,鱼鹰会随机检测到其中一条鱼的位置并攻击它,在模拟鱼鹰向鱼的移动过程的基础上,利用式(4)计算相应鱼鹰的新位置,这个新的位置,如果它提高了目标函数的值,就取代了根据所述的鱼鹰之前的位置;

(4);

式中, 为鱼鹰个体新位置, 为鱼鹰个体上次的位置, 为区间[0,1]中的随机数, 为集合{1,2 }中的随机数; 为鱼鹰状态参数;

算法开发阶段,利用基于式(1)和式(2)改进后的鱼鹰位置更新公式更新种群位置,改进后的鱼鹰位置更新公式如式(5)所示:(5);

式中, 为鱼鹰个体新位置,r1为改进后扰动参数,r2为随机参数,取值[0,1],W为自适应权重, 为种群的全局最优个体,lb为种群下界,ub为种群上界,t为当前迭代次数;

S6、通过引入一个余弦函数 来调整高斯随机游走的步长,在迭代前期施加较大扰动,帮助算法更全面的搜索问题空间,迭代后期减小扰动,避免算法的无效搜索,同时保留了一定的跳出能力,进而平衡了算法的全局探索和局部开发能力;

S7、判断是否陷入局部最优,采用前一半优势种群的平均适应值来判断算法是否陷入停滞,如果优势种群的平均适应值在连续3次迭代中没有发生变化,则认为算法搜索陷入停滞,若陷入停滞状态,则执行式(3)重新生成新个体,帮助算法跳出局部最优,式(3)如下:;

S8、判断是否达到最大迭代次数,若是,则寻优停止输出最优参数,否则返回S3继续寻优;

S9、将最优参数赋值给Kp、Ki、K带入到无人救援飞翼控制仿真系统中进行仿真,得到最佳数据情况下的模型输出结果。