CN111176306A - 一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，首先将水下航行器的期望纵向信息作为跟踪微分器输入，得到跟踪微分器的输出值，并将输出值与纵向信息相关观测值进行比较，得到系统误差；将系统误差和增益参数作为变增益非线性状态误差组合控制器的输入信号，变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号以及系统状态输出作为扩张状态观测器输入，扩张状态观测器输出扰动和观测值，根据扰动对变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号进行补偿，得到水下航行器的稳定控制量，并作为动态逆控制器的输入求解得到水下航行器的控制量。本发明实现提高控制性能，提升自抗扰控制器的强鲁棒性，增强控制器干扰抑制能力的目的。

Description

一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，更具体地，涉及一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法。

背景技术

随着海洋资源持续开发，水下无人航行器(UUV)的技术要求越来越高，欠驱动UUV已经成为海洋资源调查、军事行动和远程干预等水下任务中不可或缺的重要装备之一。UUV在完成水下作业时，会受到复杂多样的干扰，如UUV模型不确定性产生的干扰，海洋环境中的海浪、洋流、风力等产生的干扰。设计高性能的纵向控制器则是UUV完成各种任务的必要条件。

目前为止，水下航行器的主要控制技术有：比例-积分-微分(PID)控制、模糊控制、滑模控制、自适应控制、神经网络控制等。PID控制处理随时变化的内外干扰以及系统误差时，积分的抑制效果并不显著。模糊控制的缺点在于信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。滑模控制中控制量切换的幅度越大，抖动就会越明显。自适应控制的参数估计是在理想情况下随着时间趋近于无穷而渐进收敛，所以实际工程应用上较为困难。神经网络控制通常需要更多的数据，至少需要数千甚至数百万个标记样本，难以实现。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，自抗扰控制(ADRC)是一种基于过程误差来抑制或者消除误差的方法，纵向信息包括深度信息与俯仰角信息，本发明基于自抗扰控制，在工作过程中实时估计系统的内扰、外扰的总和作用并及时进行补偿，通过期望纵向信息和实际纵向信息的误差大小和方向来完成系统的控制过程，实现提高控制性能，提升自抗扰控制器的强鲁棒性，增强控制器干扰抑制能力的目的。

本发明的技术方案为：

所述一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将水下航行器的期望纵向信息[z，θ]作为跟踪微分器输入，得到跟踪微分器的输出值v₁(k),v₂(k)，并将v₁(k),v₂(k)与水下航行器中的纵向信息相关观测值z₁(k-1),z₂(k-1)进行比较，得到系统误差e₁(k),e₂(k)，其中，e₁(k)＝v₁(k)-z₁(k-1),e₂(k)＝v₂(k)-z₂(k-1)；其中v₁(k)是对期望纵向信息[z，θ]的跟踪值，v₂(k)是对期望纵向信息[z，θ]的微分跟踪值，z₁(k-1)是水下航行器的纵向信息观测值，z₂(k-1)是水下航行器的纵向信息微分值的观测值，k表示第k个控制周期，在第1个控制周期中，纵向信息观测值以及纵向信息微分值的观测值取预先设定值；

步骤2：将步骤1得到的系统误差e₁(k),e₂(k)和增益参数β₁(k),β₂(k)作为变增益非线性状态误差组合控制器的输入信号，通过变增益非线性状态误差组合控制器得到输出信号u₀(k)：

u₀(k)＝β₁(k)fal(e₁(k),α,δ)+β₂(k)fal(e₂(k),α,δ)

其中fal()为原点附近连续的幂次函数，α为体现非线性特性的设定参数，δ为避免控制量震颤的设定正数；

步骤3：将变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号u₀(k)以及系统状态输出y(k-1)作为扩张状态观测器输入，扩张状态观测器输出扰动z₃(k)和观测值z₁(k),z₂(k)：

其中ξ₀₁，ξ₀₂，ξ₀₃是观测器的增益系数；

步骤4：根据步骤3扩张状态观测器输出的扰动z₃(k)，对变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号u₀(k)进行补偿，得到水下航行器的稳定控制量u(k)＝u₀(k)-z₃(k)，并将u(k)作为动态逆控制器的输入，通过动态逆控制器求解得到水下航行器的控制量τ：

τ＝f^-1(θ,w,q,u)

其中函数f根据水下航行器运动模型确定；所述水下航行器运动模型为：

其中

x、z分别为水下航行器在惯性坐标系下的前向和垂向位置坐标，θ为俯仰角，u_c、w分别为体坐标系下水下航行器的前向速度和垂向速度，并忽略u_c的动态特性，q为俯仰角速度，B为水下航行器所受浮力，W为水下航行器重力，T₁、T₂分别为水下航行器前垂推和后垂推产生的推力；l₁、l₂分别为前垂推和后垂推沿体坐标系x轴方向到体坐标系原点的距离；m为水下航行器质量，I_yy为水下航行器的俯仰转动惯量，(x_G,z_G)为水下航行器重心在体坐标系中的坐标，(x_b,z_b)为水下航行器浮心在体坐标系中的坐标，

为垂向加速度、俯仰角加速度产生的z轴方向流体附加质量系数，

为垂向、俯仰加速度产生的俯仰方向流体附加质量系数，Z_ww、Z_qq为垂向速度、俯仰角速度速度产生的z轴方向的二次流体阻尼系数，Z_uq、Z_uw为沿着前向的俯仰角速度、垂向速度产生的z轴方向的一次流体阻尼系数，M_ww、M_qq为垂向速度、俯仰角速度产生的俯仰方向二次流体阻尼系数，M_uq、M_uw为沿着前向的俯仰角速度、垂向速度产生的俯仰方向一次流体阻尼系数；

步骤5：采用步骤4得到的控制量τ对水下航行器进行控制，然后返回步骤1进行下一周期的控制解算。

进一步的优选方案，在控制过程中对增益参数β₁(k),β₂(k)按照以下公式进行优化：

其中i＝1,2，c为接近0的常数或取0。

进一步的优选方案，步骤1中跟踪微分器的控制函数为：

其中函数fhan()为最速控制综合函数，r为速度因子，h₀为滤波因子，h为步长，r，h₀，h是设定的已知量。

进一步的优选方案，步骤2中原点附近连续的幂次函数fal()为

。

有益效果

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明采用自抗扰控制器，并通过变增益非线性状态误差组合控制器进行增益参数优化，对控制器的鲁棒性有明显的提升。

2、本发明采用自抗扰控制器与动态逆控制器相结合，有效提高控制的鲁棒性，补偿了动态逆误差，提高系统干扰抑制的能力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为变增益自抗扰器示意图；

图2为本发明实施变增益自抗扰控制技术的仿真效果图；

图3变增益自抗扰控制纵向信息误差分析图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例的控制器包括变增益非线性状态误差组合控制器和动态逆控制器。将系统观测器误差e₁,e₂以及变增益优化参数β₁,β₂作为变增益非线性状态误差组合控制器的输入。该控制器输出的系统控制律u₀作为状态观测器输入，保证此自抗扰控制器对系统增益变化有很好的鲁棒性。将稳定的控制律u作为动态逆控制的控制输入，求解出控制量τ来对水下航行器进行控制。

本实施例的具体步骤为：

步骤1：将水下航行器的期望纵向信息[z，θ]作为跟踪微分器输入，得到跟踪微分器的输出值v₁(k),v₂(k)，并将v₁(k),v₂(k)与水下航行器中的纵向信息相关观测值z₁(k-1),z₂(k-1)进行比较，得到系统误差e₁(k),e₂(k)，其中，e₁(k)＝v₁(k)-z₁(k-1),e₂(k)＝v₂(k)-z₂(k-1)；其中v₁(k)是对期望纵向信息[z，θ]的跟踪值，v₂(k)是对期望纵向信息[z，θ]的微分跟踪值，z₁(k-1)是水下航行器的纵向信息观测值，z₂(k-1)是水下航行器的纵向信息微分值的观测值，k表示第k个控制周期，在第1个控制周期中，纵向信息观测值以及纵向信息微分值的观测值取预先设定值。

其中跟踪微分器的控制函数为：

其中函数fhan()为最速控制综合函数，r为速度因子，h₀为滤波因子，h为步长，r，h₀，h是设定的已知量，本实施例中取值r＝10，取值h＝0.01，h₀适当大于步长h，h₀＝0.012。

步骤2：将步骤1得到的系统误差e₁(k),e₂(k)和增益参数β₁(k),β₂(k)作为变增益非线性状态误差组合控制器的输入信号，通过变增益非线性状态误差组合控制器得到输出信号u₀(k)：

u₀(k)＝β₁(k)fal(e₁(k),α,δ)+β₂(k)fal(e₂(k),α,δ)

其中fal()为原点附近连续的幂次函数，原点附近连续的幂次函数fal()为

α为体现非线性特性的设定参数，δ为避免控制量震颤的设定正数，本实施例中α＝0.75,δ＝0.1。

而在控制过程中对增益参数β₁(k),β₂(k)按照以下公式进行优化，得到变增益优化结果：

其中i＝1,2，c为充分小的常数，本实施例中取值0，而β₁(k),β₂(k)的初始值取[β₁,β₂]＝[5,3]。

步骤3：将变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号u₀(k)以及系统状态输出y(k-1)作为扩张状态观测器输入，扩张状态观测器输出扰动z₃(k)和观测值z₁(k),z₂(k)：

其中ξ₀₁，ξ₀₂，ξ₀₃是观测器的增益系数，本实施例中[ξ₀₁,ξ₀₂,ξ₀₃]＝[100,300,1000]。

步骤4：根据步骤3扩张状态观测器输出的扰动z₃(k)，对变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号u₀(k)进行补偿，得到水下航行器的稳定控制量u(k)＝u₀(k)-z₃(k)，并将u(k)作为动态逆控制器的输入，通过动态逆控制器求解得到水下航行器的控制量τ：

τ＝f^-1(θ,w,q,u)

其中函数f根据水下航行器运动模型确定；所述水下航行器运动模型为：

其中

x、z分别为水下航行器在惯性坐标系下的前向和垂向位置坐标，θ为俯仰角，u_c、w分别为体坐标系下水下航行器的前向速度和垂向速度，并忽略u_c的动态特性，q为俯仰角速度，B为水下航行器所受浮力，W为水下航行器重力，T₁、T₂分别为水下航行器前垂推和后垂推产生的推力；l₁、l₂分别为前垂推和后垂推沿体坐标系x轴方向到体坐标系原点的距离；m为水下航行器质量，I_yy为水下航行器的俯仰转动惯量，(x_G,z_G)为水下航行器重心在体坐标系中的坐标，(x_b,z_b)为水下航行器浮心在体坐标系中的坐标，

为垂向加速度、俯仰角加速度产生的z轴方向流体附加质量系数，

为垂向、俯仰加速度产生的俯仰方向流体附加质量系数，Z_ww、Z_qq为垂向速度、俯仰角速度速度产生的z轴方向的二次流体阻尼系数，Z_uq、Z_uw为沿着前向的俯仰角速度、垂向速度产生的z轴方向的一次流体阻尼系数，M_ww、M_qq为垂向速度、俯仰角速度产生的俯仰方向二次流体阻尼系数，M_uq、M_uw为沿着前向的俯仰角速度、垂向速度产生的俯仰方向一次流体阻尼系数。

本实施例中，水下航行器运动模型参数为：

步骤5：采用步骤4得到的控制量τ对水下航行器进行控制，然后返回步骤1进行下一周期的控制解算。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将水下航行器的期望纵向信息[z，θ]作为跟踪微分器输入，得到跟踪微分器的输出值v₁(k),v₂(k)，并将v₁(k),v₂(k)与水下航行器中的纵向信息相关观测值z₁(k-1),z₂(k-1)进行比较，得到系统误差e₁(k),e₂(k)，其中，e₁(k)＝v₁(k)-z₁(k-1),e₂(k)＝v₂(k)-z₂(k-1)；其中v₁(k)是对期望纵向信息[z，θ]的跟踪值，v₂(k)是对期望纵向信息[z，θ]的微分跟踪值，z₁(k-1)是水下航行器的纵向信息观测值，z₂(k-1)是水下航行器的纵向信息微分值的观测值，k表示第k个控制周期，在第1个控制周期中，纵向信息观测值以及纵向信息微分值的观测值取预先设定值；

步骤2：将步骤1得到的系统误差e₁(k),e₂(k)和增益参数β₁(k),β₂(k)作为变增益非线性状态误差组合控制器的输入信号，通过变增益非线性状态误差组合控制器得到输出信号u₀(k)：

u₀(k)＝β₁(k)fal(e₁(k),α,δ)+β₂(k)fal(e₂(k),α,δ)

其中fal()为原点附近连续的幂次函数，α为体现非线性特性的设定参数，δ为避免控制量震颤的设定正数；

步骤3：将变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号u₀(k)以及系统状态输出y(k-1)作为扩张状态观测器输入，扩张状态观测器输出扰动z₃(k)和观测值z₁(k),z₂(k)：

其中ξ₀₁，ξ₀₂，ξ₀₃是观测器的增益系数；

步骤4：根据步骤3扩张状态观测器输出的扰动z₃(k)，对变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号u₀(k)进行补偿，得到水下航行器的稳定控制量u(k)＝u₀(k)-z₃(k)，并将u(k)作为动态逆控制器的输入，通过动态逆控制器求解得到水下航行器的控制量τ：

τ＝f^-1(θ,w,q,u)

其中函数f根据水下航行器运动模型确定；所述水下航行器运动模型为：

其中

x、z分别为水下航行器在惯性坐标系下的前向和垂向位置坐标，θ为俯仰角，u_c、w分别为体坐标系下水下航行器的前向速度和垂向速度，并忽略u_c的动态特性，q为俯仰角速度，B为水下航行器所受浮力，W为水下航行器重力，T₁、T₂分别为水下航行器前垂推和后垂推产生的推力；l₁、l₂分别为前垂推和后垂推沿体坐标系x轴方向到体坐标系原点的距离；m为水下航行器质量，I_yy为水下航行器的俯仰转动惯量，(x_G,z_G)为水下航行器重心在体坐标系中的坐标，(x_b,z_b)为水下航行器浮心在体坐标系中的坐标，

为垂向加速度、俯仰角加速度产生的z轴方向流体附加质量系数，

为垂向、俯仰加速度产生的俯仰方向流体附加质量系数，Z_ww、Z_qq为垂向速度、俯仰角速度速度产生的z轴方向的二次流体阻尼系数，Z_uq、Z_uw为沿着前向的俯仰角速度、垂向速度产生的z轴方向的一次流体阻尼系数，M_ww、M_qq为垂向速度、俯仰角速度产生的俯仰方向二次流体阻尼系数，M_uq、M_uw为沿着前向的俯仰角速度、垂向速度产生的俯仰方向一次流体阻尼系数；

步骤5：采用步骤4得到的控制量τ对水下航行器进行控制，然后返回步骤1进行下一周期的控制解算。

2.根据权利要求1所述一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，其特征在于：在控制过程中对增益参数β₁(k),β₂(k)按照以下公式进行优化：

其中i＝1,2，c为接近0的常数或取0。

3.根据权利要求1所述一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，其特征在于：步骤1中跟踪微分器的控制函数为：

其中函数fhan()为最速控制综合函数，r为速度因子，h₀为滤波因子，h为步长，r，h₀，h是设定的已知量。

4.根据权利要求1所述一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，其特征在于：步骤2中原点附近连续的幂次函数fal()为

。

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