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基于HCOPSO算法的USV舵向PID控制参数整定方法

陈明志 刘兰军 陈家林 杨睿 黎明

陈明志, 刘兰军, 陈家林, 等. 基于HCOPSO算法的USV舵向PID控制参数整定方法[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(3): 381-387 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112022
引用本文: 陈明志, 刘兰军, 陈家林, 等. 基于HCOPSO算法的USV舵向PID控制参数整定方法[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(3): 381-387 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112022
CHEN Mingzhi, LIU Lanjun, CHEN Jialin, YANG Rui, LI Ming. Parameter Tuning Method for USV Rudder Steering PID Control Based on HCOPSO Algorithm[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(3): 381-387. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112022
Citation: CHEN Mingzhi, LIU Lanjun, CHEN Jialin, YANG Rui, LI Ming. Parameter Tuning Method for USV Rudder Steering PID Control Based on HCOPSO Algorithm[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(3): 381-387. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112022

基于HCOPSO算法的USV舵向PID控制参数整定方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112022
基金项目: 国家重点研发计划项目资助(2017YFC****203)
详细信息
    作者简介:

    陈明志(1996-), 男, 硕士, 主要研究方向为嵌入式技术与智能仪器、无人系统控制研究

    通讯作者:

    刘兰军(1979-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为嵌入式技术与智能仪器、海洋探测与观测技术、水声通信与网络技术

  • 中图分类号: TJ630; U664.82

Parameter Tuning Method for USV Rudder Steering PID Control Based on HCOPSO Algorithm

  • 摘要: 高速无人艇(USV)舵向控制要求同时满足调节时间短、超调量小, 针对USV舵向比例积分微分(PID)控制的参数整定需求, 将混合均值中心反向学习粒子群优化(HCOPSO)算法与PID控制结合, 提出一种基于HCOPSO算法的USV舵向PID控制器参数整定方法。利用HCOPSO对PID控制器参数进行寻优, 有效解决寻优过程的局部最优解问题。对比研究了粒子群(PSO)算法、线性惯性权重递减粒子群(LDIWPSO)算法、HCOPSO算法的PID控制器参数整定效果, 结果表明, HCOPSO算法参数整定的USV舵向PID控制器具有更好的控制效果, 相比于PSO、LDIWPSO, 调节时间分别缩短22%、15%, 超调量分别降低89%、74%, 迭代次数分别减少40%、30%。基于研制的“久航750”USV开展了海洋环境测试, 测试结果表明了文中设计方法应用于小型高速USV舵向控制的有效性。

     

  • 图  1  小型高速USV舵向PID控制模型

    Figure  1.  PID control model for rudder steering of small high-speed unmanned surface vessels

    图  2  基于HCOPSO算法的PID控制器参数优化流程

    Figure  2.  Parameter optimization process of PID controller based on HCOPSO algorithm

    图  3  最佳适应度值的迭代次数

    Figure  3.  Number of iterations of the optimal fitness value

    图  4  小型高速USV舵向PID控制仿真系统

    Figure  4.  Simulation system for rudder steering PID control of small high-speed unmanned surface vessels

    图  5  不同PSO算法的适应度值仿真结果

    Figure  5.  Simulation results of fitness values of different PSO algorithms

    图  6  不同粒子群优化算法的PID输出响应曲线

    Figure  6.  PID output response curves of different particle swarm optimization algorithms

    图  7  USV海试

    Figure  7.  Sea trial of USV

    图  8  USV港池测试舵角设定值与反馈值对比

    Figure  8.  Comparison between the set value of rudder angle test and the feedback value of USV harbor basin

    图  9  USV航行轨迹

    Figure  9.  Trajectory of USV

    图  10  2~3级海况下舵角设定值与反馈值对比

    Figure  10.  Comparison of rudder angle set value and feedback value under level 2-3 sea conditions

    表  1  算法运行时间

    Table  1.   Algorithm running time 单位: s

    测试函数PSOLDIWPSOHCOPSO
    Sphere18.779 99618.713 38924.322 626
    Rosenbrock18.660 78522.265 21223.364 576
    Ackley18.675 98418.713 37519.188 532
    Rastrigin18.751 93219.265 79419.971 044
    下载: 导出CSV

    表  2  算法最佳适应度值

    Table  2.   Optimal fitness value of algorithm 单位: s

    测试函数PSOLDIWPOHCOPSO
    Sphere0.042 4460.018 7510.000 328
    Rosenbrock18.274 08719.066 9100.630 621
    Ackley1.655 8331.461 8350.046 726
    Rastrigin27.907 76219.712 5040.232 082
    下载: 导出CSV

    表  3  不同算法优化整定的PID参数和输出响应结果

    Table  3.   PID parameters and output response results optimized by different algorithms

    项目PSOLDIWPSOHCOPSO
    $ {K_p} $10.583 325.858 021.052 3
    $ {K_i} $0.002 00.001 20.000 6
    $ {K_d} $20.674 250.000 050.000 0
    超调量/%11.34.71.2
    调节时间/s26.1324.0520.37
    迭代次数15119
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-29
  • 修回日期:  2022-01-21
  • 录用日期:  2023-05-30
  • 网络出版日期:  2023-05-31

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