减摇水舱试验台架系统无模型自适应控制_马洁 刘小河

跟踪/误差信号
2
1
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8 10 12
时间 t/s
1.5
1
0.5 0
-0.5
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 时间 t/s
图 2 系统跟踪规则波时横摇力矩的仿真曲线
（2）不规则波信号 仿真过程中，跟踪性能受多个参数的控制，有些 是固定的，有些是时变的.固定参数λ选得越小，跟踪 性能越好，但控制输入信号就变差；反之，λ越大，控 制输入信号就越好，而跟踪性能变差.但是系统还存在 时变参数，而且影响较大.仿真过程中发现，内部变参
1 电液力矩伺服系统 MFAC 控制器设计 无模型控制不是无模型，而是无需建立模型，直
接利用系统的 I/O 数据来设计控制器. 1.1 MFAC 基本原理
一般离散时间非线性系统表示如下：
y(k +1) = f ( y(k),⋅⋅⋅, y(k − np ), u(k),⋅⋅⋅, u(k − nu )) 式中，y(k), u(k)分别表示系统的输入与输出；np， nu 分别表示系统阶数. 无模型自适应控制器基本算法包含两个基本算
MA Jie1, LIU Xiao-he1, LI Guo-bin2
(1. Department of Computer Science and Automation, Beijing Institute of Machinery, Beijing, 100085, China; 2. Automation College, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)
SHIP ENGINEERING Vol.28 No.4 2006
船舶工程 总第 28 卷，2006 年第 4 期
减摇水舱试验台架系统无模型自适应控制
马 洁 1，刘小河 1，李国斌 2
（1．北京机械工业学院 计算机及自动化系，北京 100085；2．哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001）
u(k)
=
u(k
− 1)
+
ρkϕˆ (k ) λ + ϕˆ(k)
2
⎡⎣ y0 (k +1)
−
y(k ) ⎤⎦
模型输出：由 u(k), u(k-1), y(k), y(k-1), y(k-2)得到 y(k+1).
y(k +1) = y(k) ⋅ y(k −1) ⋅ y(k − 2) ⋅ u(k −1) ⋅[ y(k − 2) −1] + as(k) ⋅ u(k) 1+ y(k −1)2 + y(k − 2)2
Abstract: The model-free control method is used to ship anti-rolling system for the first time, combined with the advantage of model-free control. The key to design the test platform of anti-rolling tank is the control strategy adopted in the electro-hydraulic servo system of the test platform. Aiming at the problems and limitations in the application of the model-controlling strategy to the nonlinear system, the controller of the electro-hydraulic servo system is designed and made simulation study by the model-free control law. The results of simulation indicate that the model-free controller has good controlling quality, nice track performance and structure adaptability. The system meets the designing requirements. Key words: automatic control technology; test platform of anti-rolling tank; electro-hydraulic servo system; model-free controller
内部时变参数 偏导数×10-4
误差信号
给定信号
跟踪信号
控制输入信号
跟踪信号
数 as 在 1.5～2.5 之间变化时，仿真效果较好，as＝2.0 时，可达到完全跟踪.参见图 3 和图 4.
以调节的，这些参数的选取对控制结果有较大的影响， 在文献[3]和[4]中有全面的讨论；y0(k+1)为第(k+1)时刻 的海浪信号，即第(k+1)时刻的期望输出值.
无模型控制律的基本算法就是由基于泛模型式 （1）对特征参量ϕ(k) 的辨识算法和基本控制算法式 （2）在线交互进行而组成的.当经过辨识得到ϕˆ(k) 值 以后，即可应用控制律式（2）对系统进行反馈控制， 控制的结果将得到一组新的观测数据，在已有数据中 添加这一组新的数据，再对ϕˆ(k +1) 进行辨识，如此继 续下去，就可以实现辨识与控制的一体化.
0 引言 建立减摇水舱试验装置是进行减摇水舱研究的重
要手段.哈尔滨工程大学研制的减摇水舱试验台架是 一种专用综合系统，它可以模拟 500 吨至 10 万吨级船 舶在海浪中的横摇和横荡运动，以研究减摇水舱的运 动和控制规律，测得船舶加装减摇水舱后的减摇效果. 因此，它是研究和设计减摇水舱的重要试验设备.
关键词：自动控制技术；减摇水舱试验台架；电液力矩伺服系统；无模型控制器 中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2006) 04-0005-04
Model-free adaptive control of test platform system of anti-rolling tank
ϕ(k) 的估计值ϕˆ(k) 是在线实时估计的，被控对象 如果发生变化，不论是参数性的，还是结构性的，都 用ϕ(k) 的变化来描述.所以无模型控制律既是参数自 适应的，又是结构自适应的[5]. 1.2 电液力矩伺服系统 MFAC 控制器设计
电液力矩伺服系统框图如图 1 所示.上位机采用 PC 机和数字控制器的主从式结构.PC 机提供海浪横 摇力矩电压信号，对一些传感器采集得到的数据进行 显示；而数字控制器完成对电液力矩伺服系统的实时 控制，其输出电压信号经伺服放大器控制流量电液伺 服阀，伺服阀控制摆动液压油缸，再由海浪横摇力矩 液压油缸驱动试验台架系统，传感器检测液压油缸的 输出并送至数字控制器，构成闭环控制回路,要求系统 误差小于 5%[6].
由于自适应控制系统均是实时的过程，因此参数
—6—
估计算法都具有简单的递推结构.投影算法和最小二
乘类算法是两种典型的递推参数估计算法，这里采用
投影算法.
ϕˆ (k )
=
ϕˆ (k
− 1)
+
ηk∆u (k µ + ∆u (k
−1) − 1)
2
⋅
[∆y(k) − ϕˆ(k −1)∆u(k −1)]
（2）由 u(k-1),ϕˆ(k) , y0 (k +1) 推出 u(k)
式：
1）泛模型
y(k) − y(k −1) = ϕ(k −1)τ [u(k −1) − u(k − 2)] （1）
基于泛模型对特征参量ϕ(k) 进行估计.
2）无模型控制律的基本形式
u(k)
=
u(k
−1)
+
ρkϕˆ (k ) λ + ϕˆ(k)
2
⎡⎣ y0 (k +1)
−
y(k ) ⎤⎦
（2）
式中，λ是权重因子，ρk 是步长序列，仿真时是可
油源
海浪力矩信号ຫໍສະໝຸດ eu控制器 伺服放大器
伺服阀
y 摆动油缸 台架
力矩传感器 图 1 模拟横摇力矩的电液力矩伺服系统原理图
电液力矩伺服系统 MFAC 控制器设计具体步骤 为：
（1）已知电液力矩伺服系统的一组观测数据 {u(i-1), y(i)}， i = 1, 2,", k ,由ϕˆ(k −1) ,∆u(k-1), ∆y(k)， 可求出ϕ(k) 的估计值ϕˆ(k) ，这里给出的初值是 u(0)=0, u(1)=1, y(1)=-1, y(2)=1, y(3)=0.5.
2 仿真研究 2.1 跟踪性能仿真研究
选取遭遇波倾角为 45°，海浪信号分为规则波信 号和不规则波信号两种情况进行了仿真研究.
（1）规则波信号 图 2 中分别为输入信号、跟踪信号和误差信号. 仿真过程中，参数λ越小，跟踪性能越好，但控制输入 信号就变差；反之，λ选取越大，控制输入信号就越好， 而跟踪性能变差.适当地选取参数与跟踪效果的好坏 是相关的.
收稿日期：2005-09-21；修回日期：2006-07-14 基金项目：国家“211”工程重点投资建设项目.此论文获得北京市重点学科建设项目基金支持. 作者简介：马洁（1965-），女，副教授，博士研究生，研究方向为非线性控制理论及其应用.
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虽然在某些限定的条件下也能达到较好的控制效果， 但还不能完全符合系统设计要求.以上的控制方法都 属模型控制范畴，特点是都需要先建立系统的数学模 型.由于在非设定海情下，实际的减摇水舱试验台架电 液力矩伺服系统是高度非线性、时变、强耦合的复杂 系统，很难或无法建立其数学模型，因此，基于模型 的控制方法在实际应用中明显表现出不足和局限性， 而将非线性控制算法引入到系统中进行研究是很有意 义的[2].无模型自适应控制（model-free adaptive control, MFAC）[3]是自动控制领域中的一种全新的理论与技 术，无模型控制律的设计突破了尽可能事先精确地建 立数学模型的限制，因此，是解决上述问题的有效途 径.