CN112234874B - 一种水下机器人多电机推进系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人多电机推进系统及控制方法，针对水下机器人本体结构，提出一种带转速比例模块的偏差耦合控制结构和一种带转速比例模块的交叉耦合控制结构，以提高水下机器人运动的灵活性和多电机推进系统的鲁棒性。又因为永磁同步电机作为一个结构复杂、参数众多的非线性控制系统，传统的PID控制算法难以取得满意的控制效果，本发明提出一种多模态快速非奇异终端滑模控制算法，以解决系统不确定性、响应缓慢和抖振较严重的问题。最终以实现水下机器人在水下复杂环境灵活、高精度和平稳控制。

Description

一种水下机器人多电机推进系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种水下机器人系统以及控制方法，尤其涉及一种水下机器人多电机协同推进系统及控制方法。属于电机控制和水下机器人控制技术领域。

背景技术

水下机器人对采油树的安装分以下几个过程：目视检测、开/关井口盖、跟踪/监视采油树、协助采油树与井口或采油树回收工具与采油树对接、调整采油树方位、锁紧/解锁、压力测试等。因为在深海环境中，存在非线性流体动力和以暗流为代表的强烈干扰，这些因素使得水下机器人的动力学模型难以准确，而且机器人系统具有强耦合和非线性的特点。为了实现水下机器人在广阔而复杂的海洋环境中对采油树安全、平稳、有效、准确的安装，这就必须对水下机器人的多电机推进系统提出更高的性能要求。

多电机系统控制结构分两种：一种是机械方式，另一种是电方式。机械方式在水中运行条件太苛刻。与此相反，电方式使用方式十分灵活，该控制一般可分为非耦合控制策略和耦合控制策略。其中，非耦合控制策略常用的有主令参考协调控制方式和主从协调控制方式。非耦合的协同控制方式结构简单、容易实现，但其缺陷在于当某一电机的负载、速度或位置等发生变化时，其它电机就不能做相应调整，从而影响到协调性能。针对这一现象，耦合控制策略应运而生。耦合控制常用的为三种：交叉耦合控制、相邻耦合控制、偏差耦合控制。由于以上3种传统控制策略只能实现多电机完全同步和比例同步运行，根据水下辅助采油有缆遥控机器人技术要求，并且多电机比例同步运行中各电机转速的比例不是固定的，因此以上耦合控制结构不能完全适合水下机器人。

在多电机系统控制方法研究中，由于永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的系统，容易受电机参数变化和负载扰动等不确定因素的影响，并且采用传统的PID控制方法难以取得令人满意的控制效果。由于滑模控制能够克服系统的不确定性，对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。因此有学者采用基于比例切换函数的滑模控制方法，并对永磁同步电动机实现了较好的速度控制，但抖振现象较为明显且无限时间收敛。针对该问题，采用非奇异终端滑模控制方法可使系统状态在有限时间内收敛为零，克服了普通滑模在线性滑模面渐近收敛的缺点，且非奇异终端滑模无切换项，可明显的降低抖振，但非奇异终端滑模在远离平衡点时又存在收敛缓慢的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下机器人多电机推进系统及控制方法。为了增强水下机器人灵活性、操作性和鲁棒性，在多电机推进系统方面，本发明提出一种带转速比例模块的偏差耦合控制结构和一种带转速比例模块的交叉耦合控制结构；在多电机控制算法方面，本发明提出一种多模态快速非奇异终端滑模控制算法，以实现水下机器人在广阔而复杂的海洋环境中对采油树安全、平稳、有效、准确的安装。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种水下机器人多电机推进系统，该系统包括：在水下机器人本体的水平方向，对4台永磁同步电机搭建带转速比例模块的偏差耦合控制结构；该控制结构由4台永磁同步电机系统组成，每台电机之间通过速度补偿器关联；每台永磁同步电机系统包括速度控制器、速度补偿器、各电机的转速比例模块K_i、逆变器、永磁同步电机和转速检测器；每台电机控制信号传递关系为给定的转速、自身电机反馈转速和速度补偿器输出转速作为速度控制器输入，速度控制器输出电流给逆变器，逆变器控制电机运转，转速检测器采集转速进行反馈，速度补偿器获取各个电机反馈转速输出的同步误差；其中速度补偿器输入为各电机反馈转速和各电机的转速比例模块K_i；其中各电机的转速比例模块K_i是以各电机反馈转速作为输入，每个电机以自身为参考，获得与其它电机的比值，然后将比值进行输出给速度补偿器。在水下机器人本体的垂直方向，对2台永磁同步电机搭建带转速比例模块的交叉耦合控制结构。该控制结构由2台永磁同步电机系统组成，每台电机之间通过增益补偿器关联；每台永磁同步电机包括速度控制器、增益补偿器、两电机转速比例模块D_i、逆变器、永磁同步电机和转速检测器；每台电机控制信号传递关系为给定的转速、自身电机反馈转速和增益补偿器输出转速作为速度控制器输入，速度控制器输出电流给逆变器，逆变器控制电机运转，转速检测器采集转速进行反馈，增益补偿器获取两电机反馈转速输出的同步误差。其中增益补偿器输入为两电机反馈转速和两电机的转速比例模块D_i，其中两电机的转速比例模块D_i是以两电机反馈转速作为输入，每个电机以自身为参考，获得与另一电机的比值，然后将比值进行输出给增益补偿器。

前述水下机器人多电机推进系统，各电机的转速比例模块K_i具体为，各电机的转速比例模块K₁：速度补偿器1以电机1的给定转速为参考，计算出电机1与电机2、3、4的给定转速的比例系数k₁₂、k₁₃、k₁₄，将得到的比例系数给速度补偿器1；各电机的转速比例模块K₂：速度补偿器2以电机2的给定转速为参考，计算出电机2与电机1、3、4的给定转速的比例系数k₂₁、k₂₃、k₂₄，将得到的比例系数给速度补偿器2；各电机的转速比例模块K₃：速度补偿器3以电机3的给定转速为参考，计算出电机3与电机1、2、4的给定转速的比例系数k₃₁、k₃₂、k₃₄，将得到的比例系数给速度补偿器3；各电机的转速比例模块K₄：速度补偿器4以电机4的给定转速为参考，计算出电机4与电机1、2、3的给定转速的比例系数k₄₁、k₄₂、k₄₃，将得到的比例系数给速度补偿器4；

ω_a ^*、ω_b ^*分别为电机a、b的给定转速。

前述水下机器人多电机推进系统，速度补偿器具体为，速度补偿器1结构中，l₁₂、l₁₃、l₁₄为速度反馈增益；速度补偿器2结构中，l₂₁、l₂₃、l₂₄为速度反馈增益；速度补偿器3结构中，l₃₁、l₃₂、l₃₄为速度反馈增益；速度补偿器4结构中，l₄₁、l₄₂、l₄₃为速度反馈增益，增益计算公式为

J_a为电机a的转动惯量，J_b为与电机b速度作差的电机转动惯量；

速度补偿器的输出为

β₁为速度补偿器1输出的误差补偿信号，β₂为速度补偿器2输出的误差补偿信号，β₃为速度补偿器3输出的误差补偿信号，β₄为速度补偿器4输出的误差补偿信号。

本发明还提供了一种水下机器人多电机推进系统的控制方法，对永磁同步电机系统采用双闭环进行控制；内环是电流环，采用PI控制器；外环是速度环，速度环采用的速度控制器为多模态快速非奇异终端滑模控制器。

前述水下机器人多电机推进系统的控制方法，多模态快速非奇异终端滑模控制器设计包括以下步骤：

步骤1：建立永磁同步电机系统模型，获取电机的状态方程

取第i台电机的状态变量为

式中：ω_i ^*为给定转速，ω_i为实际转速，β_i为速度补偿误差，x_1i、x_2i为系统的状态变量；

假设磁路不饱和，在空间磁场呈正弦分布，不计磁滞和涡流损耗影响条件下，采用i_d＝0的永磁同步电机转子磁场矢量控制，这时转矩方程为

T_e＝1.5pψ_ai_q (5)

永磁同步电机运动方程

T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_a为永磁体与定子交链的磁链，i_q为q轴电流，i_d为d轴电流，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω为转子角速度，t为时间；

结合式子(4)(5)(6)得状态方程为

步骤2：设计多模态快速非奇异终端滑模控制的滑模面函数

式中t、c_i、β为正数，p、q为正奇数，且满足t≥1，1<p/q<2；

当|x_1i|＞ε，系统处于滑动状态且s_i＝0时，有

x_2i＝-c_ix_1i ^t (9)

当|x_1i|＞ε时，对比与式i_2i＝-c_ix_1i，可知，在t＞1时，当系统状态远离平衡点时，多模态快速非奇异终端滑模控制的收敛速度高于线性滑模控制的收敛速度；在t＝1时，即线性滑模控制方法；

步骤3：设计多模态快速非奇异终端滑模控制器

式中η为正数，ε为正数；

步骤4：系统稳定性分析

当|x_1i|≤ε时，即非奇异终端滑模控制器，满足Lyapunov稳定条件；

当|x_1i|＞ε时，根据式(7)(8)(10)，有

由式(11)可知当|x_1i|＞ε时，该控制器满足Lyapunov稳定条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、水下机器人在运动控制中具有更好的抗干扰能力。带转速比例模块的偏差耦合控制结构和带转速比例模块的交叉耦合控制结构能够调节暗流和波浪对电机干扰，使机器人按照原先设计姿态运动。

2、水下机器人在运动控制中具有更灵活的控制能力。带转速比例模块的偏差耦合控制结构和带转速比例模块的交叉耦合控制结构使水下机器人在水平面上和垂直面上能完成任意角度的运动。

3、水下机器人多电机推进系统具有更快速的响应速度和更平稳的运行状态。本发明提出的一种多模态快速非奇异终端滑模控制算法解决了模型不确定性问题，明显降低系统抖振，实现全局快速收敛。这使水下机器人控制更加平稳、精准。

附图说明

图1是带转速比例模块的偏差耦合控制系统结构图；

图2是模块K₁各电机比例结构图；

图3是速度补偿器1结构图；

图4是带转速比例模块的交叉耦合控制结构图；

图5是多模态快速非奇异终端滑模控制算法流程图。

具体实施措施

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，带转速比例模块的偏差耦合控制结构由4台永磁同步电机系统组成，每台电机之间通过速度补偿器关联；每台永磁同步电机系统包括速度控制器、速度补偿器、各电机的转速比例模块K_i、逆变器、永磁同步电机和转速检测器；速度控制器、速度补偿器和各电机的转速比例模块K_i是运行在主控制芯片的控制算法，逆变器是功率逆变电路实现的，转速检测器是编码器电路实现的。每台电机控制信号传递关系为给定的转速、自身电机反馈转速和速度补偿器输出转速作为速度控制器输入，速度控制器输出电流给逆变器，逆变器控制电机运转，转速检测器采集转速进行反馈，速度补偿器获取各个电机反馈转速输的出同步误差。其中速度补偿器输入为各电机反馈转速和各电机的转速比例模块K_i。其中各电机的转速比例模块K_i是以各电机反馈转速作为输入，每个电机以自身为参考，获得与其它电机的比值，然后将比值进行输出给速度补偿器。

如图2所示，各电机的转速比例模块K_i是在线实时计算出各台电机之间的比例系数。由于速度补偿器1以电机1的给定转速为参考，计算出电机1与电机2、3、4的给定转速的比例系数k₁₂、k₁₃、k₁₄，将得到的比例系数给速度补偿器1；模块K₂的具体实现：由于速度补偿器2以电机2的给定转速为参考，计算出电机2与电机1、3、4的给定转速的比例系数k₂₁、k₂₃、k₂₄，将得到的比例系数给速度补偿器2；模块K₃的具体实现：由于速度补偿器3以电机3的给定转速为参考，计算出电机3与电机1、2、4的给定转速的比例系数k₃₁、k₃₂、k₃₄，将得到的比例系数给速度补偿器3；模块K₂的具体实现：由于速度补偿器4以电机4的给定转速为参考，计算出电机4与电机1、2、3的给定转速的比例系数k₄₁、k₄₂、k₄₃，将得到的比例系数给速度补偿器4。电机间比例系数计算公式如下

式中ω_a ^*、ω_b ^*分别为电机a、b的给定转速。

如图3所示，以速度补偿器1为例，其中l₁₂，l₁₃，l₁₄为速度反馈增益，增益计算公式为

J_a为电机a的转动惯量，J_b为与电机b速度作差的电机转动惯量；

速度补偿器的输入信号分别为4台电机的速度反馈信号，将电机1的速度反馈信号分别与电机2的速度反馈信号、电机3的速度反馈信号和电机4的速度反馈信号作差，从而能够得到实时的转速偏差信号，然后将各台电机反馈的转速偏差乘以反馈放大增益，然后将这些放大的偏差信号加在一起作为电机1的速度补偿信号。

速度补偿器1输出的补偿信号为

β₁＝l₁₂(ω₁-ω₂/k₂)+l₁₃(ω₁-ω₃/k₃)+l₁₄(ω₁-ω₄/k₄) (3)

如图4所示，带转速比例模块的交叉耦合控制结构由2台永磁同步电机系统组成，每台电机之间通过增益补偿器关联；每台永磁同步电机包括速度控制器、增益补偿器、两电机转速比例模块Di、逆变器、永磁同步电机和转速检测器。速度控制器、速度补偿器和两电机转速比例模块Di是运行在主控制芯片的控制算法，逆变器是功率逆变电路实现的，转速检测器是编码器电路实现的。每台电机控制信号传递关系为给定的转速、自身电机反馈转速和增益补偿器输出转速作为速度控制器输入，速度控制器输出电流给逆变器，逆变器控制电机运转，转速检测器采集转速进行反馈，增益补偿器获取两电机反馈转速输出的同步误差。其中增益补偿器输入为两电机反馈转速和两电机的转速比例模块Di，其中两电机的转速比例模块Di是以两电机反馈转速作为输入，每个电机以自身为参考，获得与另一电机的比值，然后将比值进行输出给增益补偿器。

如图5所示，多模态快速非奇异终端滑模控制器设计步骤：

步骤1：获取永磁同步电机的给定转速ω_i ^*

步骤2：获取永磁同步电机反馈的实际转速ω_i和速度补偿误差β_i

步骤3：计算系统的状态方程

取第i台电机的状态变量为

式中：ω_i ^*为给定转速，ω_i为实际转速，β_i为速度补偿误差，x_1i、x_2i为系统的状态变量；

假设磁路不饱和，在空间磁场呈正弦分布，不计磁滞和涡流损耗影响条件下，采用i_d＝0的永磁同步电机转子磁场矢量控制，这时转矩方程为

T_e＝1.5pψ_ai_q (5)

永磁同步电机运动方程

T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_a为永磁体与定子交链的磁链，i_q为q轴电流，i_d为d轴电流，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω为转子角速度，t为时间；

结合式子(4)(5)(6)得状态方程为

步骤4：设计多模态快速非奇异终端滑模控制的滑模面函数

式中t、c_i、β为正数，p、q为正奇数，且满足t≥1，1<p/q<2；

当|x_1i|＞ε，系统处于滑动状态且s_i＝0时，有

x_2i＝-c_ix_1i ^t (9)

当|x_1i|＞ε时，对比与式x_2i＝-c_ix_1i，可知，在t＞1时，当系统状态远离平衡点时，多模态快速非奇异终端滑模控制的收敛速度高于线性滑模控制的收敛速度；在t＝1时，即线性滑模控制方法；

步骤5：设计多模态快速非奇异终端滑模控制器

式中η为正数，ε为正数；

步骤6：系统稳定性分析

当|x_1i|≤ε时，即非奇异终端滑模控制器，满足Lyapunov稳定条件；

当|x_1i|＞ε时，根据式(7)(8)(10)，有

由式(11)可知当|x_1i|＞ε时，控制器满足Lyapunov稳定条件。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种水下机器人多电机推进系统，其特征在于，在水下机器人本体的水平方向，对4台永磁同步电机搭建带转速比例模块的偏差耦合控制结构，该结构由4台永磁同步电机的系统组成，每台电机之间通过速度补偿器关联；每台永磁同步电机的系统包括速度控制器、速度补偿器、各电机的转速比例模块K_i、逆变器、永磁同步电机和转速检测器；每台电机控制信号传递关系为给定转速、自身电机反馈转速和速度补偿器输出转速误差补偿信号作为速度控制器输入，速度控制器输出电流给逆变器，逆变器控制电机运转，转速检测器采集转速进行反馈，速度补偿器获取各个电机反馈转速输出的同步误差；其中速度补偿器输入为各电机反馈转速和各电机的转速比例模块K_i的输出；其中各电机的转速比例模块K_i是以各电机给定转速作为输入，每个电机以自身为参考，获得与其它电机的比值，然后将比值输出给速度补偿器，具体内容为：转速比例模块K₁：转速比例模块K₁以电机1的给定转速为参考，计算出电机1与电机2、3、4的给定转速的比例系数k₁₂、k₁₃、k₁₄，将得到的比例系数给速度补偿器1；转速比例模块K₂：转速比例模块K₂以电机2的给定转速为参考，计算出电机2与电机1、3、4的给定转速的比例系数k₂₁、k₂₃、k₂₄，将得到的比例系数给速度补偿器2；转速比例模块K₃：转速比例模块K₃以电机3的给定转速为参考，计算出电机3与电机1、2、4的给定转速的比例系数k₃₁、k₃₂、k₃₄，将得到的比例系数给速度补偿器3；转速比例模块K₄：转速比例模块K₄以电机4的给定转速为参考，计算出电机4与电机1、2、3的给定转速的比例系数k₄₁、k₄₂、k₄₃，将得到的比例系数给速度补偿器4；

ω_a ^*、ω_b ^*分别为电机a、b的给定转速；

在水下机器人本体的垂直方向，对2台永磁同步电机搭建带转速比例模块的交叉耦合控制结构，带转速比例模块的交叉耦合控制结构由2台永磁同步电机的系统组成，每台电机之间通过增益补偿器关联；每台永磁同步电机的系统包括速度控制器、增益补偿器、两电机转速比例模块D_i、逆变器、永磁同步电机和转速检测器；每台电机控制信号传递关系为给定转速、自身电机反馈转速和增益补偿器输出转速误差补偿信号作为速度控制器输入，速度控制器输出电流给逆变器，逆变器控制电机运转，转速检测器采集转速进行反馈，增益补偿器获取两电机反馈转速输出的同步误差；其中增益补偿器输入为两电机反馈转速和两电机的转速比例模块D_i的输出，其中两电机的转速比例模块Di是以两电机反馈转速作为输入，每个电机以自身为参考，获得与另一电机的比值，然后将比值输出给增益补偿器。

2.根据权利要求1所述的水下机器人多电机推进系统，所述的速度补偿器，其特征在于，速度补偿器1结构中，l₁₂、l₁₃、l₁₄为速度反馈增益；速度补偿器2结构中，l₂₁、l₂₃、l₂₄为速度反馈增益；速度补偿器3结构中，l₃₁、l₃₂、l₃₄为速度反馈增益；速度补偿器4结构中，l₄₁、l₄₂、l₄₃为速度反馈增益，增益计算公式为

J_a为电机a的转动惯量，J_b为与电机a速度作差的电机转动惯量；

速度补偿器的输出为

β₁为速度补偿器1输出的误差补偿信号，β₂为速度补偿器2输出的误差补偿信号，β₃为速度补偿器3输出的误差补偿信号，β₄为速度补偿器4输出的误差补偿信号,ω_i为实际转速。

3.根据权利要求2所述的水下机器人多电机推进系统的控制方法，其特征在于，对永磁同步电机系统采用双闭环进行控制：内环是电流环，采用PI控制器；外环是速度环，速度环采用的速度控制器为多模态快速非奇异终端滑模控制器。

4.根据权利要求3所述的水下机器人多电机推进系统的控制方法，其特征在于，多模态快速非奇异终端滑模控制器设计包括以下步骤：

步骤1：建立永磁同步电机系统模型，获取电机的状态方程

取第i台电机的状态变量为

式中：ω_i ^*为给定转速，β_i为误差补偿信号，x_1i、x_2i为系统的状态变量；

假设磁路不饱和，在空间磁场呈正弦分布，不计磁滞和涡流损耗影响条件下，采用i_d＝0的永磁同步电机转子磁场矢量控制，这时转矩方程为

T_e＝1.5Pψ_ai_q (5)

永磁同步电机运动方程

T_e为电磁转矩，P为电机极对数，ψ_a为永磁体与定子交链的磁链，i_q为q轴电流，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω为转子角速度，t为时间；

结合式子(4)(5)(6)得状态方程为

式中，i_qi为第i台电机的q轴电流，

为i_qi的导数；

步骤2：设计多模态快速非奇异终端滑模控制的滑模面函数

式中m、c_i、β、ε为正数，p、q为正奇数，且满足m≥1，1<p/q<2；

当|x_1i|>ε，系统处于滑动状态且s_i＝0时，有

x_2i＝-c_ix_1i ^m (9)

当|x_1i|>ε时，对比于式x_2i＝-c_ix_1i，可知，在m>1时，当系统状态远离平衡点时，多模态快速非奇异终端滑模控制的收敛速度高于线性滑模控制的收敛速度；在m＝1时，即线性滑模控制方法；

步骤3：设计多模态快速非奇异终端滑模控制函数u_i

式中η为正数；

步骤4：系统稳定性分析

当|x_1i|≤ε时，即非奇异终端滑模控制器，满足Lyapunov稳定条件；

当|x_1i|>ε时，根据式(7)(8)(10)，有

由式(11)可知当|x_1i|>ε时，该控制器满足Lyapunov稳定条件。

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