CN105204339B - 气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法 - Google Patents

气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制装置。包括安装在气垫船四周的水枪、控制器和转换逻辑，气垫船传感器系统得到气垫船姿态信息输入控制器，控制器根据这些信息得到控制器的控制信号，所述控制信号进入转换逻辑、计算出各个水枪所需提供的动力，最后通过水枪对于气垫船的姿态进行调整。本发明实现了气垫船静态姿态的在线调节，改善了惯性时延的影响，具有良好的实时性和鲁棒性。

Description

气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种气垫船的姿态调节方法，特别的是引入水枪和时滞反馈对气垫船静止姿态进行调节的方法。
背景技术
在气垫船静止状态，由于海洋环境的复杂性，风、浪、流的影响，这就使得气垫船难以保持稳定的状态，这就增加了气垫船操纵的难度，也不利于它在静止状态下启动，目前的以公开的文献中并没有相关的成果，而运用水枪对于气垫船的姿态进行主动控制的方式也没有相关的报道。
由于水枪动力所能提供的有限，而气垫船具有较大的惯性，改变气垫船的状态不可避免的会遇到惯性延迟的问题，如果忽略这一问题，会使得气垫船在调节姿态时发生较大的震荡，甚至于存在翻船的危险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使得气垫船在初始的静止状态下能够保持稳定的姿态的气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制装置。本发明的目的还在于提供一种气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制装置包括安装在气垫船四周的水枪、控制器和转换逻辑，气垫船传感器系统得到气垫船姿态信息输入控制器，控制器根据这些信息得到控制器的控制信号，所述控制信号进入转换逻辑、计算出各个水枪所需提供的动力，最后通过水枪对于气垫船的姿态进行调整。
水枪的发射方向垂直于海平面。
本发明的气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法为：通过气垫船传感器系统得到气垫船姿态信息，根据所述姿态信息得到控制器的控制信号，所述控制信号进入转换逻辑，计算出安装在气垫船四周的各个水枪所需提供的动力，最后通过作为执行器机构的水枪对于气垫船的姿态进行调整。
本发明的气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法还可以包括：
1、所述控制器为时滞反馈控制器，控制率τ(t)＝Kx(t-d)，通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii函数和不等式变换，得到控制器条件。
2、所述转换逻辑是运用基于粗糙集的进化计算来进行设计的。
本发明的主要技术特点在于：通过气垫船传感器系统得到气垫船姿态信息，根据这些信息得到控制器的控制信号，该信号进入转换逻辑，计算出各个水枪所需提供的动力，最后通过执行器机构对于气垫船的姿态进行调整。考虑到气垫船姿态调节的惯性延迟，设计了时滞反馈控制器τ(t)＝Kx(t-d)，通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii函数和不等式变换，得到了保守性较低且形式简单的控制器设计条件。运用基于粗糙集的进化计算来进行转换逻辑的设计，优化目标为能耗最小，该方法能够改善一般优化算法的实时性，实现水枪动力分配的在线计算。在气垫船周围装载水枪，对于气垫船的姿态进行主动控制，实现气垫船的姿态调节。
本发明的气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制装置及方法，为气垫船装载了水枪、时滞反馈控制器和转换逻辑，解决了气垫船的姿态调节问题。针对气垫船的惯性延迟，设计了时滞反馈控制器，构造了合适的Lyapunov-Krasovskii，经过不等式变化得到了保守性较低且形式简单的控制器的判定条件。利用基于粗糙集的进化算法，实现基于能耗最小的水枪动力分配在线计算。通过分布于气垫船周围的水枪产生动力，主动调节气垫船的姿态。本发明实现了气垫船静态姿态的在线调节，改善了惯性时延的影响，具有良好的实时性和鲁棒性。
附图说明
图1气垫船执行器机构分布。
图2气垫船姿态调节系统方框图。
图3基于粗糙集的进化算法流程图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
通过气垫船传感器系统得到气垫船姿态信息，根据这些信息得到控制器的控制信号，该信号进入转换逻辑，计算出各个水枪所需提供的动力，最后通过执行器机构对于气垫船的姿态进行调整。
1.建立气垫船六自由度模型：
全垫升气垫船的六自由度运动模型为：
其中：
u，——X轴方向的速度，ξ——X轴上的位置
v，——Y轴方向的速度，η——Y轴上的位置
w，——Z轴方向的速度，ζ——Z轴上的位置
p，——绕X轴运动的角速度，——绕X轴的姿态角
q，——绕Y轴运动的角速度，θ——绕Y轴的姿态角
r，——绕Z轴运动的角速度，ψ——绕Z轴的姿态角
表示▽的导数
2.转化为近似的状态空间模型
由于气垫船在姿态调节时为静止状态，受到海洋环境力的影响而产生横摇、纵摇等运动，因而参考浮式海洋平台和船舶动力定位定点作业模型，得到全垫升气垫船在海平面上在海洋环境影响下主动控制的状态空间模型：
其中x＝(u v wp q r)T，M＝MT＞0为带有附加质量的惯性矩阵，D＞0为线性阻尼矩阵，S(Ω)为转换矩阵，τ为控制量，S(Ω)为转换矩阵，b 为环境干扰，且环境干扰有界，具体形式为：
控制的目标是为了使得横摇与纵摇都尽量的小，因此我们将横摇和纵摇的姿态角的和作为控制的输出：
y(t)＝Cx(t) (3)
其中C＝(0 0 0 1 1 0)T
综上所述，得到气垫船的静止状态下的近似的状态空间模型：
其中
3.设计时滞反馈控制器
由于气垫船存在较大的惯性延迟，因此，本发明设计了时滞反馈控制器补偿所产生的时间延迟，控制率设计为：
τ(t)＝Kx(t-d) (5)
其中0＜d，可以得到闭环系统：
将该气垫船姿态调节方法描述为一个标准的H-infinity控制问题，控制目标设定为：设计时滞反馈控制律(5)，使得闭环系统(6)渐近稳定，且在零初始条件下，满足||Tyb||∞＜γ，其中 Tyb表示环境干扰到控制输出的闭环传递函数，满足0＜γ＜∞。
构造Lyapunov-Krasovskii函数：
其中P＞0，Q＞0
令b(t)＝0，将(7)沿(6)微分可得：
式中存在不等式关系：
其中*表示矩阵中对称元素的转置，令χ(t)＝(xT(t)xT(t-d))T，则有记(A BK)＝Δ
综上所述，(8)可化为：
其中
根据Lyapunov-Krasovskii稳定性理论，当
Π+d2ΔTQΔ＜0 (11)
可以保证闭环系统渐近稳定。
然后，将建立保证H-infinity性能的条件，取消b(t)＝0的限制，则可得到：
其中Υ＝(A BK D)，Λ＝(C 0 0)，
若有
Θ+d2ΥTQΥ+ΛTΛ＜0 (13)
则有成立，进而可以得到：
这样就得到了满足闭环系统渐近稳定和H-infinity性能的控制器增益K的判据，根据 Schur补引理结合(11)和(13)可得：
根据线性矩阵不等式的求解工具LMI工具箱，可以得到控制器增益K
4.构造转换逻辑
转换逻辑的主要任务就是根据控制器所得到的信号，对于控制信号进行计算，从而获得各个水枪所应该提供的动力大小，其中的分配算法本质上是一种多目标优化算法，各个水枪所分配的动力在满足合力需求及推进器约束的同时，还要尽量达到最小化消耗功率、摩擦阻力、噪声或磨损以及其它与控制使用相关的目标值。考虑到气垫船的实用性，这里将优化目标定义为能耗最小，约束条件主要为各个水枪所能提供的动力约束，以及所产生合力满足气垫船姿态调节所需的动力。利用基于粗糙集的进化算法可以提高优化计算的实时性，实现水枪动力分配的在线计算。
5.执行器设计
结合附图1，构建姿态调整的执行器机构，在气垫船的四周加入水枪，水枪的发射方向垂直于海平面。从转换逻辑得到的水枪动力分配信号进入执行器机构，使得水枪工作，从而产生调节气垫船姿态的控制力。
6.实现静止状态下全垫升气垫船的姿态调节。

Claims (1)

1.一种气垫船姿态调节的主动时滞反馈控制方法，其特征是：通过气垫船传感器系统得到气垫船姿态信息，根据所述姿态信息得到控制器的控制信号，所述控制信号进入转换逻辑，计算出安装在气垫船四周的各个水枪所需提供的动力，最后通过作为执行器机构的水枪对于气垫船的姿态进行调整，具体为：
步骤一、建立气垫船六自由度模型：
气垫船的六自由度运动模型为：
其中，
u——X轴方向的速度，ξ——X轴上的位置，为ξ的一阶导数；
v——Y轴方向的速度，η——Y轴上的位置，为η的一阶导数；
w——Z轴方向的速度，ζ——Z轴上的位置，为ζ的一阶导数；
p——绕X轴运动的角速度，——绕X轴的姿态角，为的一阶导数；
q——绕Y轴运动的角速度，θ——绕Y轴的姿态角，为θ的一阶导数；
r——绕Z轴运动的角速度，ψ——绕Z轴的姿态角；为ψ的一阶导数；
步骤二、建立气垫船在海平面上在海洋环境影响下主动控制的状态空间模型：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>M</mi> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mi>D</mi> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>+</mo> <mi>b</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mi>&amp;Omega;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>x</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中x＝(u v w p q r)T，M＝MT＞0为带有附加质量的惯性矩阵，D>0为线性阻尼矩阵，S(Ω)为转换矩阵，τ为控制量，b为环境干扰，且环境干扰有界，具体形式为：
<mrow> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mi>b</mi> <mo>|</mo> <msub> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <mi>b</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> <mi>b</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msqrt> <mo>&lt;</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow>
将横摇和纵摇的姿态角的和作为控制的输出：
y(t)＝Cx(t) (3)
其中C＝(0,0,0,1,1,0)T
得到气垫船的静止状态下的近似的状态空间模型：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>b</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中
步骤三、将控制率设计为：
τ(t)＝Kx(t-d) (5)
其中d为大于0的数；K为控制器增益；得到闭环系统：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>K</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>b</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
构造Lyapunov-Krasovskii函数：
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其中P>0，Q>0；
令b(t)＝0，将公式(7)沿公式(6)微分可得：
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式(8)中存在不等式关系：
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其中*表示矩阵中对称元素的转置，令x(t)＝(x(t)xT(t-d))T，则有记(A B1K)＝Δ，将公式(8)简化为：
<mrow> <mover> <mi>V</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;le;</mo> <msup> <mi>&amp;chi;</mi> <mi>T</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;Pi;</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> </msup> <mi>Q</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>&amp;chi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中
再建立能够保证H-infinity性能的条件，并取消b(t)＝0的限制，则得到
其中Υ＝(A B1K D)，Λ＝(C 0 0)；
<mrow> <mi>&amp;Theta;</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mi>A</mi> <mi>T</mi> </msup> <mi>P</mi> <mo>+</mo> <mi>P</mi> <mi>A</mi> <mo>-</mo> <mi>Q</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>PB</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>K</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>P</mi> <mi>D</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>*</mo> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>Q</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>*</mo> </mtd> <mtd> <mo>*</mo> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>I</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
根据Lyapunov-Krasovskii稳定性理论，保证闭环系统渐近稳定的条件是
Θ+d2ΥTQΥ+ΛTΛ＜0
即成立，进而可以得到
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再根据Schur补引理得到
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利用线性矩阵不等式的求解工具LMI工具箱，对以上矩阵不等式进行求解，得到控制器增益K；
步骤四、构造转换逻辑，具体为：根据控制器所得到的信号，对于控制信号进行计算，从而获得所应该提供的动力大小；
步骤五、在气垫船的四周加入水枪，水枪的发生方向垂直于海平面，从步骤四中得到的水枪动力分配信号进入执行器结构，使得水枪工作，从而产生调节气垫船姿态的控制力，从而实现静止状态下气垫船的姿态调节。
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