一种无人船速度控制方法及存储介质与流程

技术特征：

1.一种无人船速度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

通过目标速度值与经过速度传感器得到的当前速度值比较，差值输入至事先设定的速度模型环节，输出发送的控制指令，以电压信号形式加入饱和环节后将其输入至电机执行机构执行，执行机构拉动发动机油门，使发动机转速随之变化，船体推进器推动或螺旋桨转动，从而使船体速度变化，以负反馈控制方式最终到达目标速度值。

2.根据权利要求1所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述事先设定的速度模型环节包括：

a.饱和环节模型：

在该环节中，输入为电压值，输出为加入饱和环节后的电压值，相当于设定了电压范围，表达式如下：

其中u0为正向最大电压值；

b.电机执行机构模型：

执行机构的输入为加入饱和环节后的电压值，输出为油门当前位置，而执行机构中通常采用电机等执行环节与油门采用软轴等传动轴机械连接，因此执行机构传递函数可以看作为一个常数，即

ka可根据实际船体设备测试获取，驱动器与电机根据实际船体需求选择，无刷步进电机即可实现，步进电机与发动机的油门拉线通过软轴机械连接；

c.发动机模型：

该环节的输入为油门当前位置，输出为当前转速值，两者的关系是非线性的，发动机环节的传递函数近似为一个带有迟滞的惯性环节；发动机环节的传递函数，即油门当前位置与当前转速的函数关系为：

d.船体模型：

该环节的输入为发动机当前转速，输出为船体当前速度，发动机工作对船体产生的推力与船体速度的关系并不是一次函数关系，即输入与输出的关系是非线性的，则船体模型环节传递函数近似为一个带有迟滞的惯性环节，即转速与船体实际速度函数关系为

3.根据权利要求2所述的无人船速度控制方法，其特征在于：其中，发动机模型中通过实验测量油门位置与其对应的实际转速值，得出函数关系中的参数值，测试步骤如下：

a1.确定油门位置范围与转速范围；

b1.分别记录电机的起点与终点位置及其对应的转速值；

c1.实验中将转速等分，比如每一等分为100r/min，变化油门至对应转速值，再记录电机对应的位置，如实际船体需要，可在特定转速值范围继续细分；

d1.将得到的数据做成表格，得到函数关系中的参数值k1，t1。

4.根据权利要求2所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述船体模型中参数确定步骤如下：

a2.确定转速范围与对应的速度大小范围；

b2.分别记录转速的最小值与最大值，并记录此时对应的船体速度值；

c2.将转速等分，比如每一等分为100r/min，变化油门至对应转速值，根据速度传感器等设备记录船体到达的对应速度值与时间；

d2.对得到的数据进行分析处理，最终得到不同速度下函数关系中的k2，t2的一组参数值。

5.根据权利要求2所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述事先设定的速度模型环节包括：

首先将迟滞环节近似成为一阶惯性环节，设迟滞环节为e^-τs，截止频率为ωc，简化后有：

公式成立的条件为

简化后得到高频段小惯性环节群，近似地处理成：

其中k'＝kak1k2，为速度模型的输出即当前速度值与输入即电压控制量之比；tσ＝t1 t2 τ1 τ2，为表征该惯性环节响应的唯一参数，也就是表征无人船速度响应的唯一参数。

6.根据权利要求2所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述事先设定的速度控制器环节包括速度控制器环节传递函数设定为

其中kv为速度控制器的输出即电压控制量与输入即目标速度与当前速度差值之比，τ为无人船速度控制器的设计环节之一，需要按照设定的设计标准取值，t为系统的惯性时间常数，也就是表征无人船速度控制器响应时间的参数。

7.根据权利要求6所述的无人船速度控制方法，其特征在于：所述事先设定的速度模型环节的整个速度控制的开环传递函数如下：

取τ＝tσ，则

其中k＝kvk'；此时该系统的开环传递函数便满足典型i型系统传递函数形式。该系统为二阶系统，二阶系统的传递函数表达式为

取kt＝0.5，该系统的闭环函数便满足最佳二阶系统。

8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明的一种无人船速度控制方法及存储介质，涉及船体速度模型包括饱和环节、电机执行机构、发动机、船体模型。其中饱和环节属于典型的非线性环节，在限位值之内输入与输出的比值是常数，电机执行机构的输入与输出的比值可以近似为常数，发动机与船体模型的传递函数均为一个惯性环节与延迟环节的乘积，通过简化，最终得到的速度模型是一个标准的惯性环节。本发明给出了建立船体速度模型的方式，将复杂的船体速度模型简化为惯性环节，便于给出速度控制器的设计，从而对整个速度控制进行分析。本发明以经典控制理论为基础，根据不同状态下的船体速度模型，迅速而准确地给出速度控制器的设计，速度控制器在不同速度下自适应，从而提高速度控制的性能。

技术研发人员：赵明皓
受保护的技术使用者：北京航空航天大学合肥创新研究院
技术研发日：2020.12.25
技术公布日：2021.08.10