船载稳定平台的鲁棒自适应神经网络控制

贺广健，彭程

摘要：针对船载稳定平台的平稳控制问题，考虑到稳定平台存在未建模动态等不确定性以及未知时变环境扰动，将自适应技术、径向基神经网络技术与矢量逆推的方法相结合，提出一种鲁棒自适应神经网络的稳定平台控制方案。采用矢量逆推的方法，设计稳定平台的平稳控制律;运用径向基神经网络技术对稳定平台系统的未建模动态等不确定性进行估计及补偿;利用自适应技术在线估计径向基神经网络相关参数及环境扰动的上界;并引入最少学习参数方法降低控制方案的计算负载。通过Lyapunov理论证明稳定平台闭环控制系统的所有变量的一致最终有界性。最后，基于稳定平台的仿真结果验证了所提出的鲁棒自适应神经网络控制方案的有效性。

关键词：稳定平台;自适应技术;径向基神经网络;矢量逆推;最少学习参数

中图分类号：U661.33   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）19-0009-05

Robust Adaptive Neural Network Control of Ship-borne Stabilization Platform

HE Guang-jian， PENG Cheng

（Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）

Abstract： Aiming at the problem of stable control of the ship-borne stabilization platforms， considering the uncertainties such as unmodeled dynamics and unknown time-varying environmental disturbances of the ship-borne stabilization platforms.The adaptive technology， radial basis neural network technology and backstepping method are combined to propose a robust adaptive neural network stable platform control scheme. The method of backstepping is used to design the stable control law of the stable platform; the RBF neural network technology is used to estimate and compensate the uncertainties such as unmodeled dynamics of the stable platform system. The adaptive technology is used to estimate the relevant parameters of the RBF neural network and the upper bounds of environmental disturbances; and the least learning parameter method is introduced to reduce the calculation load of the control scheme. The Lyapunov theory is used to prove that all variables of the closed-loop control system of the stable platform are uniformly ultimately bounded. Finally， the simulation results based on the stable platform verify the effectiveness of the proposed robust adaptive neural network control scheme.

Key words： stable platform; adaptive technology; radial basis neural network; backstepping; least learning parameter

1 引言

作業中的船舶受到风、浪、流等海洋环境影响会产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和升沉六个自由度的运动，船舶摇荡运动严重影响船载直升机的安全起降、船载吊车等设备的安全作业等。船舶横荡、纵荡和艏摇运动会通过船舶动力定位系统被抑制，所以为了补偿船舶橫摇、纵摇和升沉运动，本文提出将稳定平台作为船舶的减摇装置，隔离船舶橫摇、纵摇和升沉运动对船舶设备等的影响。

船载稳定平台控制精度是船载稳定平台的关键性能指标，有效的控制方案可以提高稳定平台控制精度。船载稳定平台系统是一个严重非线性的、存在着未知时变环境扰动以及未建模动态等不确定性的系统。文献[1]针对舰载雷达稳定平台，采用带有修正因子的模糊控制算法设计控制器，具有良好的鲁棒性与控制效果;文献[2]针对陀螺稳定平台，采用灰色滑膜算法设计控制器，有效减小了系统非线性摩擦对控制效果的影响;文献[3-4]针对陀螺稳定平台，采用自抗扰控制技术设计控制器，有效地提高系统的抗干扰性和鲁棒性;然而，文献[1-4]的被控系统的主要结构为三轴陀螺式，但三轴陀螺式稳定平台结构的限制，其承载能力较低。近年来，随着海洋工程快速发展对大型船载设备稳定的需求，大型船载稳定平台应运而生。针对大型船载稳定平台的稳定控制，文献[5-7]分别采用分离式PID、专家PID、非线性PID设计控制器，文献[8-10]将模糊与PID相结合形成模糊自适应PID控制方案设计控制器，虽然上述算法具有PID不依赖于模型等优点，但是对于外界时变环境扰动的抗干扰性仍比较差。文献[11]针对并联稳定平台系统，采用滑膜变结构方法设计了控制器，引入了边界层减小抖振问题，使得系统最终具有较强的鲁棒性，但系统仍存在抖振;文献[12]针对船载稳定平台系统，采用非线性模型预测控制原理设计了控制器，但模型预测需部分模型先验知识。