一種自主水下航行器動(dòng)態(tài)抗飽和俯仰角控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是水下航行器俯仰控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種自主水下航行器動(dòng)態(tài) 抗飽和俯仰角控制方法，
【背景技術(shù)】
[0002] 海洋覆蓋地球三分之二的面積，對(duì)人類未來(lái)的生存有著至關(guān)重要的影響，是人類 生存和可持續(xù)發(fā)展的重要領(lǐng)域，海洋的開(kāi)發(fā)和利用已成為決定國(guó)家興衰的基本因素之一。 而水下航行器（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)作為探索海洋的重要手段，也越來(lái) 越成為研宄工作的熱點(diǎn)。
[0003]AUV具有很強(qiáng)的非線性特性，同時(shí)它的航行環(huán)境十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的PID控制算法難 以勝任。對(duì)于AUV的姿態(tài)控制存在以下幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)：時(shí)變性，模型參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)不確定， 未知的外部干擾以及控制輸入飽和等，這些問(wèn)題都給AUV的控制帶來(lái)了很多困難。由于它 在航行過(guò)程中流體參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，造成模型參數(shù)具有不確定性，而且會(huì)受到海浪和海流 的隨機(jī)干擾，這要求控制系統(tǒng)必須具有一定的魯棒性和自適應(yīng)能力。
[0004] 滑?？刂谱鳛橐环N特殊的魯棒控制方法，由于它突出的特點(diǎn)是：滑動(dòng)模態(tài)對(duì)于系 統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外界擾動(dòng)等不確定因素不敏感，這種理想的魯棒性引起了控制界的極大關(guān) 注。進(jìn)二十年來(lái)，滑?？刂品椒ㄔ陔姍C(jī)控制、機(jī)器人、伺服系統(tǒng)、空間飛行器等領(lǐng)域取得成功 應(yīng)用。特別是，隨著AUV的不斷發(fā)展，將滑?？刂茟?yīng)用于AUV的研宄也越來(lái)越成為研宄的重 要方向。
[0005]另外，在實(shí)際工程中，由于執(zhí)行器的限制，控制律的大小通常有一定限制，過(guò)大的 控制律值難以實(shí)現(xiàn)。如何在控制輸入受飽和限制條件下仍能實(shí)現(xiàn)有效的控制算法設(shè)計(jì)，是 一個(gè)很有理論和實(shí)際意義的研宄問(wèn)題。
[0006]綜上所述，AUV俯仰控制還存在以下三個(gè)問(wèn)題：UAUV的俯仰模型參數(shù)具有不確定 性；2、海流等外部隨機(jī)干擾會(huì)對(duì)AUV的俯仰運(yùn)動(dòng)控制造成一定的影響。3、由于執(zhí)行器的飽 和限制，過(guò)大的控制律值難以實(shí)現(xiàn)，若忽略輸入受限，則閉環(huán)系統(tǒng)的性能下降，甚至穩(wěn)定性 難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)AUV俯仰控制中模型參數(shù)不確定及外部干擾未知，同時(shí)考慮控制輸入 飽和受限情況下的控制問(wèn)題，提出了一種帶有動(dòng)態(tài)抗飽和補(bǔ)償器的自適應(yīng)滑?？刂品椒▽?duì) AUV的俯仰角進(jìn)行控制。在該方法中，基于滑?？刂圃O(shè)計(jì)了自適應(yīng)律對(duì)模型參數(shù)和外部干擾 上界進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器來(lái)解決輸入飽和的問(wèn)題，以保證控制系統(tǒng)有良好的 性能。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0009] 所述一種自主水下航行器動(dòng)態(tài)抗飽和俯仰角控制方法，其特征在于：包括以下步 驟：
[0010] 步驟1 :忽略水下航行器俯仰運(yùn)動(dòng)和橫滾運(yùn)動(dòng)的耦合，建立水下航行器俯仰運(yùn)動(dòng) 模型：
[0011] 0 = 〇).
[0012] a>z =Cl(I)z+CM+CiU+D
[0013] (X=C4O)2 +t\a+c6u
[0014] y= 0
[0015] 其中0是俯仰角，《2是俯仰角速度，a是攻角，u是控制輸入，D表示非線性項(xiàng) 和外界未知干擾，y是輸出，C1,C2是未知的需要估計(jì)的模型參數(shù)，c3是已知的控制增益，c4， C5, C6為設(shè)定的模型參數(shù)；控制輸入U(xiǎn)取決于控制器輸出的舵角S
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自主水下航行器動(dòng)態(tài)抗飽和俯仰角控制方法，其特征在于：包括w下步驟： 步驟1;忽略水下航行器俯仰運(yùn)動(dòng)和橫滾運(yùn)動(dòng)的禪合，建立水下航行器俯仰運(yùn)動(dòng)模型：
其中0是俯仰角，是俯仰角速度，a是攻角，U是控制輸入，D表示非線性項(xiàng)和外 界未知干擾，y是輸出，Ci，C2是未知的需要估計(jì)的模型參數(shù)，C3是已知的控制增益，C4,Cg， ce為設(shè)定的模型參數(shù)；控制輸入U(xiǎn)取決于控制器輸出的駝角5。；
其中Um為控制器幅值； 步驟2 ;對(duì)步驟1設(shè)計(jì)得到的水下航行器俯仰運(yùn)動(dòng)模型，采用W下控制律和自適應(yīng)律進(jìn) 行控制；所述控制律為：
其中S為滑模面，取s= +如，e為俯仰角誤差e= 0-0d，為期望俯仰角，A為滿 足化rwitz條件的正常數(shù)；sgn(s)表示S的符號(hào)；參數(shù)T和k由設(shè)定的滑模面S的趨近律 得到，模面S的趨近律為指數(shù)趨近律i= -r.s'-/(4sgn(s)，且T>〇，k>0;w為設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài) 抗飽和補(bǔ)償器狀態(tài)，設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)抗飽和補(bǔ)償器為：
其中Au=U-5。，sT表示S的轉(zhuǎn)置，F(xiàn)表示給定的抗飽和參數(shù)，且滿足， I?II表示范數(shù)，I取值范圍為[0,0.001]; 所述自適應(yīng)律為：
其中，hT=[Ci，C2]，4=[?z，a]T，/;為h的估計(jì)值；P為非線性項(xiàng)和外界未知干擾D的上界，戶:為P的估計(jì)值，e。e2，ki，k2均為給定的自適應(yīng)律設(shè)計(jì)參數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種自主水下航行器動(dòng)態(tài)抗飽和俯仰角控制方法，方法中基于滑?？刂圃O(shè)計(jì)了自適應(yīng)律，在線估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)及未知干擾的上界，不斷地通過(guò)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與期望狀態(tài)相比較，通過(guò)自適應(yīng)律來(lái)改變控制器，使系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。同時(shí)方法設(shè)計(jì)了抗飽和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，用輔助變量w來(lái)減緩輸入飽和對(duì)系統(tǒng)的影響，以保證控制系統(tǒng)有良好的性能。
【IPC分類】G05D1-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104793625
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510184979
【發(fā)明人】崔榮鑫, 嚴(yán)衛(wèi)生, 張欣
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日