CN114296469B - 基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，包括：进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模；基于二阶动态输入建模进行无人艇双参数自适应故障辨识；以及基于无人艇双参数二阶动态输入建模和自适应故障辨识，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制。

Description

基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法

技术领域

本发明涉及智能无人系统技术领域，细分为无人艇的控制和安全容错技术领域，特别涉及一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法。

背景技术

近年来，随着陆地燃料资源的枯竭，占据地球面积约71％的海洋战略地位随之不断提高。为充分勘探和开采海洋资源，海洋装备技术的发展不可或缺。以无人艇(包括水下航行体、水下机器人、水面无人船等)为代表的海洋智能装备是现阶段海上作业的主要载体。

无人艇的工作范围经常处于环境复杂多变的水域，经常会带给无人艇不可预知的影响。随着无人艇作业能力的提升，其复杂性随之提高，其安全保障也得到深入关注。无人艇应尽早发现可能存在的故障，并采取适当、合理的容错手段，以降低无人艇潜在的风险，而实现其自主故障诊断和容错控制是无人艇安全航行和作业的核心。

面向无人艇执行器故障建模问题，现有技术往往专注于解决一个单一故障建模问题，例如考虑单一的无人艇执行器的卡死、失灵故障，部分失效故障，现有常规无人艇执行器故障一般是多分类建模形式，尚未在统一框架下深入研究各故障约束复合作用建模下对无人艇稳定性、动态性、可重构性的影响，从而导致针对不同类型执行器故障有不同的故障建模分类方法，技术面分散而不统一，迁移性较差；面向无人艇可重构容错控制问题，现有技术往往割裂故障辨识和容错控制的有机联系，只倾向于独立故障辨识和独立容错控制。具体地说，关注解决故障辨识问题的方法仅实现故障的检测、定位和隔离而不考虑无人艇故障发生后的有效处理故障，关注解决容错控制问题的方法大多采用被动容错实现无人艇对执行器故障或外界扰动的强制鲁棒性，而不利用故障辨识中获取的故障参数信息，从而导致信息样本缺失、容错效果一般的后果。面向故障无人艇的动态收敛性问题，现有容错控制技术往往专注于保障故障无人艇的系统状态、跟踪性能的动态收敛性，而对收敛时间指标无约束，忽略实际应用中对执行动态任务有特定时间限制的无人艇的有限时间收敛性。总的来说，现有的无人艇执行器故障研究通常采用建模、辨识和容错算法完成，但目前的建模、辨识和容错算法不合理，导致仿真验证和实艇测试难度大、通用性差、仿真效果与实际情况相似度较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，以解决现有的无人艇执行器故障在建模、辨识和容错算法完成方面仿真验证和实艇测试难度大、通用性差、仿真效果与实际情况相似度较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，包括：

进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模；

基于二阶动态输入建模进行无人艇双参数自适应故障辨识；以及

基于无人艇双参数二阶动态输入建模和自适应故障辨识，进行基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制。

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模包括：

将无人艇实际控制输入信号的一阶输入方程转换为执行器幅值和速率的二阶动态方程；

进行双参数建模，使得无人艇执行器的卡死或失灵故障模式、部分失效故障模式与无故障模式统一形成双参数模型。

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，基于二阶动态输入建模进行无人艇双参数自适应故障辨识包括：

基于未知参数补偿器的观测器建立对无人艇二阶动态输入的有效估计；

建立具有投影函数性质的未知故障双参数变量和未知参数补偿器的动态故障辨识自适应率，实现无人艇双参数自适应故障辨识；

根据基于未知参数补偿器的观测器和动态故障辨识自适应率建立二阶动态输入误差的有界性；

根据基于未知参数补偿器的观测器和动态故障辨识自适应率，使得故障双参数变量估计值逼近未知故障参数真实值。

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制包括：

在双参数自适应可重构容错控制中引入无人艇二阶动态参考模型、无人艇内部动态模型以及建立终端滑模面，根据无人艇双参数自适应故障辨识对二阶动态输入的估计，建立基于有限时间终端滑模控制的双参数自适应可重构容错控制器，得到双参数策略故障建模下无人艇跟踪误差信号的有限时间收敛性；

获取收敛时间有限界值以避免可重构容错控制对收敛时间无约束。

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模还包括：

步骤一：常规无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程为，

其中η＝[xyψ]^T表示为位置和角度，具体指x为浪涌位置，y为摇摆位置，ψ为航向角，ν＝[uvr]^T表示为速度和角速度，u为浪涌速度，v为摇摆速度，r为偏航角速度，τ_a＝[τ_a1τ_a2τ_a3]^T表示为无人艇实际控制输入信号，d＝[d₁d₂d₃]^T表示为外部扰动；

惯性矩阵M满足M＝M^T，科里奥利向心力矩阵C(ν)满足C(ν)＝-C^T(ν)，阻尼矩阵D(ν)分别表示如下：

其中m₁₁,m₂₂,m₂₃,m₃₂,m₃₃表示无人艇的惯性系数，由刚体质量、水动力附加质量共同组成，c₁₃(v,r),c₂₃(u),c₃₁(v,r),c₃₂(u)表示科里奥利向心力矩阵系数，由刚体向心力和附加质量两部分构成，d₁₁(u),d₂₂(v,r),d₂₃(v,r),d₃₂(v,r),d₃₃(v,r)表示无人艇航行过程中的阻尼系数，主要由线性阻尼和非线性的粘性阻尼组成；

旋转矩阵R(ψ)满足分别表示如下：

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模还包括：

步骤二：根据步骤一中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程，利用坐标变换可得如下表示的无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程：

其中ω表示为二阶动态方程内部状态，且χ(ψ,ν,d)＝R(ψ)Γ(r)ν-R(ψ)M-1C(ν)ν-R(ψ)M-1D(ν)ν+R(ψ)M-1d；

同时，无人艇的二阶动态参考模型表示如下：

其中表示为无人艇二阶动态参考模型的系统状态，具体指η_r为参考模型的位置和角度，ω_r为参考模型的速度和角速度；Ar,B_r表示为参考模型的系统矩阵且A_r为渐近矩阵，u_r表示为有界连续参考输入信号。

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模还包括：

步骤三：根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立针对二阶动态方程的无人艇实际控制输入信号τ_a＝[τ_a1τ_a2τ_a3]^T的二阶动态模型，则得到如下表示的第i个二阶动态输入τ_ai,i＝1,2,3：

其中τ_bi表示为二阶动态输入方程的内部状态，u_di表示为二阶动态输入方程的待设计控制输入信号，标量参数λ_ai,λ_bi满足λ_ai＞＞1,λ_bi＞＞1,λ_ai＞＞λ_bi；

其中基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障的建模表示如下：

其中未知故障双参数变量k_i∈(0,1]及σ_i表示如下：

其中t_Fi为故障发生时刻，k_i为部分失效系数。

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇双参数自适应故障辨识还包括：

步骤四：针对步骤三中基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障模型，在基于双参数自适应故障辨识框架下设计基于未知参数补偿器的观测器来实现对无人艇实际控制输入信号的二阶动态输入τ_ai的有效估计，表示如下：

其中分别表示为τ_ai,σ_i,k_i的估计值，ξ_i表示为未知参数补偿器，/>表示为二阶动态输入误差，/>表示为滤波变量，伴随着微分算子s，其滤波变量分别表示如下：

同时，针对步骤三中未知故障双参数变量σ_i,k_i和本步骤中未知参数补偿器ξ_i，设计动态故障辨识自适应率为

其中γ_σi,γ_ki表示为正常值参数，参数满足/>且Proj_[0,1]表示为[0,1]区间的投影函数；

在基于双参数自适应故障辨识框架下实现二阶动态输入误差的有界性以及使得双参数变量估计值/>逼近未知故障真实值σ_i,k_i。

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制还包括：

步骤五：根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立如下表示的内部动态方程：

其中表示为f_R,M(ψ)＝R(ψ)M^-1的第i行元素，φ_i＝[φ_σiφ_ki]^T中包含以及/>

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制还包括：

步骤六：根据步骤二中获取的参考模型位置和角度η_r，参考模型速度和角速度ω_r，无人艇二阶动态方程位置和角度η，以及无人艇二阶动态模型内部状态，即速度和角速度ω，定义跟踪误差信号∈₁＝η-η_r,∈₂＝ω-ω_r；设计如下表示的终端滑模面s：

其中常值参数为l₁＞0,l₂＞0,q₁＞p₁＞0。

可选的，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制还包括：

步骤七：根据步骤二中二阶动态参考模型，步骤四中自适应故障辨识以及步骤六中终端滑模面s，设计基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制器表示如下：

其中对角矩阵/>正值参数α₁＞0,α₂＞0，以及W表示为待设计矩阵使得矩阵运算/>可逆；

在基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制的作用下，通过步骤四中自适应故障辨识对二阶动态输入τ_ai的有效、精确估计，最终实现基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障建模下无人艇跟踪误差信号∈₁,∈₂的有限时间收敛性；

在终端滑模面s的作用下，无人艇跟踪误差信号∈₁,∈₂收敛性的有限时间界值表示如下：

其中T表示为有限时间界值，以及V₀表示为李雅普诺夫函数的初始状态值。

本发明的发明人通过研究发现，面向无人艇执行器故障建模问题，现有技术往往专注于解决一个单一故障建模问题，例如考虑单一的无人艇执行器的卡死、失灵故障，部分失效故障，现有常规无人艇执行器故障一般是多分类建模形式，尚未在统一框架下深入研究各故障约束复合作用建模下对无人艇稳定性、动态性、可重构性的影响，从而导致针对不同类型执行器故障有不同的故障建模分类方法，技术面分散而不统一，迁移性较差，亟需综合的无人艇执行器卡死、失灵故障，部分失效故障和无故障的统一建模；

本发明的发明人还发现，面向无人艇可重构容错控制问题，现有技术往往割裂故障辨识和容错控制的有机联系，只倾向于独立故障辨识和独立容错控制。具体地说，关注解决故障辨识问题的方法仅实现故障的检测、定位和隔离而不考虑无人艇故障发生后的有效处理故障，关注解决容错控制问题的方法大多采用被动容错实现无人艇对执行器故障或外界扰动的强制鲁棒性，而不利用故障辨识中获取的故障参数信息，从而导致信息样本缺失、容错效果一般的后果。亟需采用基于观测器的故障辨识技术与可重构容错控制技术的有效统一，实现故障参数的有效、精确估计，同时有效补偿执行器故障，克服无人艇遭受执行器故障后动态性能破坏、重构性能损失的困境，达到可重构容错目标，实现无人艇的健康、安全和稳定；

更进一步的，面向故障无人艇的动态收敛性问题，现有容错控制技术往往专注于保障故障无人艇的系统状态、跟踪性能的动态收敛性，而对收敛时间指标无约束，忽略实际应用中对执行动态任务有特定时间限制的无人艇的有限时间收敛性。需开发面向无人艇有限时间可重构容错控制确保故障收敛时间或系统动态收敛时间界值小于动态任务执行时间，实现无人艇的有限时间安全性。

基于以上洞察，本发明提供了一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，本发明针对无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置(角度)和速度(角速度)动态系统提出一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，旨在解决无人艇二阶动态输入方程存在执行器幅值和速率故障的复杂场景下，通过所提双参数自适应故障辨识的可重构容错控制方法仍能确保故障参数误差的有界性以及无人艇跟踪误差信号的有限时间收敛性，同时保障无人艇的健康、安全和稳定。

本发明的有益效果还包括：

通过无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态输入建模，引入内部状态将常规一阶输入方程转换为执行器幅值和速率的二阶动态方程，同时引入双参数建模将无人艇执行器的卡死、失灵故障，部分失效故障与无故障综合、统一于一类表达式，克服常规无人艇执行器故障多分类建模形式。

无人艇双参数自适应故障辨识设计，在双参数自适应故障辨识中引入基于未知参数补偿器的观测器，设计具有投影函数性质的未知故障参数和未知参数补偿器的动态自适应率，实现二阶动态输入误差的有界性以及使得故障参数估计值逼近故障参数真实值，克服故障建模引入未知参数的不确定性，以及为无人艇可重构容错控制提供精确、可靠的故障参数估计量。

无人艇双参数自适应可重构容错控制设计，在双参数自适应可重构容错控制中引入无人艇二阶动态参考模型、无人艇内部动态模型以及终端滑模面，一方面受益于自适应故障辨识对二阶动态输入的有效、精确估计，另一方面受益于有限时间终端滑模控制的作用，最终实现双参数故障建模下无人艇跟踪误差信号的收敛性，克服无人艇遭受执行器故障后动态性能破坏、重构性能损失的局限性，同时收敛时间有限界值的获取也克服了常规可重构容错控制对收敛时间无约束的局限性，特别对执行动态任务有时间限制特定需求的无人艇具有实际和现实意义。

在本发明中，物理层执行器故障情况下无人艇的有效补偿执行器故障，以及实现安全、健康的可重构容错控制，使得发生执行器故障的无人艇依旧保持控制性能，完成规定执行任务，配备故障辨识的可重构容错机制的无人艇具有更强的控制力、灵活性和鲁棒性，在军事作战扫雷、反潜、驱离、状态监控、指挥控制等，民用领域物资补给、地形测绘、海面营救、无人搜索等方面发挥重要作用。

附图说明

图1是本发明一实施例基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法流程示意图；

图2是本发明一实施例基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法作用下无人艇的设定和真实位置轨迹图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的目的在于提供一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，以解决现有的无人艇执行器故障在建模、辨识和容错算法完成方面仿真验证和实艇测试难度大、通用性差、仿真效果与实际情况相似度较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，包括：进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模；引入内部状态将常规一阶输入方程转换为执行器幅值和速率的二阶动态方程；以及引入双参数建模将无人艇执行器的卡死故障、失灵故障、部分失效故障与无故障综合统一于一类表达式，以克服常规无人艇执行器故障多分类建模形式。

在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，还包括：进行无人艇双参数自适应故障辨识设计；在双参数自适应故障辨识中引入基于未知参数补偿器的观测器，设计具有投影函数性质的未知故障双参数变量和未知参数补偿器的动态故障辨识自适应率，实现二阶动态输入误差的有界性以及使得故障双参数变量估计值逼近未知故障参数真实值，以克服故障建模引入未知参数的不确定性，以及为无人艇可重构容错控制提供精确、可靠的故障参数估计量。还包括：进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制设计；在双参数自适应可重构容错控制中引入无人艇二阶动态参考模型、无人艇内部动态模型以及建立终端滑模面，根据无人艇双参数自适应故障辨识对二阶动态输入的估计，建立基于有限时间终端滑模控制的双参数自适应可重构容错控制器，得到双参数策略故障建模下无人艇跟踪误差信号的有限时间收敛性；获取收敛时间有限界值以避免可重构容错控制对收敛时间无约束。

图1是本发明的第一个实施例，其示出了基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法流程示意图。

如图1所示，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，包括：步骤一：常规无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程为，

其中η＝[xyψ]^T表示为位置和角度，具体指x为浪涌位置，y为摇摆位置，ψ为航向角，ν＝[uvr]^T表示为速度和角速度，u为浪涌速度，v为摇摆速度，r为偏航角速度，τ_a＝[τ_a1τ_a2τ_a3]^T表示为无人艇实际控制输入信号，d＝[d₁d₂d₃]^T表示为外部扰动；惯性矩阵M满足M＝M^T，科里奥利向心力矩阵C(ν)满足C(ν)＝-CT(ν)，阻尼矩阵D(ν)分别表示如下：

其中m₁₁,m₂₂,m₂₃,m₃₂,m₃₃表示无人艇的惯性系数，由刚体质量、水动力附加质量共同组成，c₁₃(v,r),c₂₃(u),c₃₁(v,r),c₃₂(u)表示科里奥利向心力矩阵系数，由刚体向心力和附加质量两部分构成，d₁₁(u),d₂₂(v,r),d₂₃(v,r),d₃₂(v,r),d₃₃(v,r)表示无人艇航行过程中的阻尼系数，主要由线性阻尼和非线性的粘性阻尼组成；

旋转矩阵R(ψ)满足分别表示如下：

如图1所示，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，还包括：步骤二：根据步骤一中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程，利用坐标变换可得如下表示的无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程：

其中ω表示为二阶动态方程内部状态，且χ(ψ,ν,d)＝R(ψ)Γ(r)ν-R(ψ)M^-1C(ν)ν-R(ψ)M^-1D(ν)ν+R(ψ)M^-1d；

同时，无人艇的二阶动态参考模型表示如下：

其中表示为无人艇二阶动态参考模型的系统状态，具体指η_r为参考模型的位置和角度，ω_r为参考模型的速度和角速度；Ar,B_r表示为参考模型的系统矩阵且A_r为渐近矩阵，u_r表示为有界连续参考输入信号。

如图1所示，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，还包括：步骤三：根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立针对二阶动态方程的无人艇实际控制输入信号τ_a＝[τ_a1τ_a2τ_a3]^T的二阶动态模型，则得到如下表示的第i个二阶动态输入τ_ai,i＝1,2,3：

其中τ_bi表示为二阶动态输入方程的内部状态，u_di表示为二阶动态输入方程的待设计控制输入信号，标量参数λ_ai,λ_bi满足λ_ai＞＞1,λ_bi＞＞1,λ_ai＞＞λ_bi；

同时基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障的建模表示如下：

其中未知故障双参数变量k_i∈(0,1]及σ_i表示如下：

其中t_Fi为故障发生时刻，k_i为部分失效系数。

如图1所示，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，还包括：步骤四：针对步骤三中基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障模型，在基于双参数自适应故障辨识框架下设计基于未知参数补偿器的观测器来实现对无人艇实际控制输入信号的二阶动态输入τ_ai的有效估计，表示如下：

其中分别表示为τ_ai,σ_i,k_i的估计值，ξ_i表示为未知参数补偿器，/>表示为二阶动态输入误差，/>表示为滤波变量，伴随着微分算子s，其滤波变量分别表示如下：

同时，针对步骤三中未知故障双参数变量σi,k_i和本步骤中未知参数补偿器ξ_i，设计动态故障辨识自适应率为

其中γ_σi,γ_ki表示为正常值参数，参数满足/>且Proj_[0,1]表示为[0,1]区间的投影函数；

在基于双参数自适应故障辨识框架下实现二阶动态输入误差的有界性以及使得双参数变量估计值/>逼近未知故障真实值σ_i,k_i。

如图1所示，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，还包括：步骤五：根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立如下表示的内部动态方程：

其中表示为f_R,M(ψ)＝R(ψ)M^-1的第ⁱ行元素，φ_i＝[φ_σiφ_ki]^T中包含以及/>

如图1所示，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，还包括：步骤六：根据步骤二中获取的参考模型位置和角度η_r，参考模型速度和角速度ω_r，无人艇二阶动态方程位置和角度η，以及无人艇二阶动态模型内部状态，即速度和角速度ω，定义跟踪误差信号1＝η-η_r,∈2＝ω-ω_r；设计如下表示的终端滑模面s：

其中常值参数为l₁＞0,l₂＞0,q₁＞p₁＞0。

如图1所示，在所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法中，还包括：步骤七：根据步骤二中二阶动态参考模型，步骤四中自适应故障辨识以及步骤六中终端滑模面s，设计基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制器表示如下：

其中对角矩阵/>正值参数α₁＞0,α₂＞0，以及W表示为待设计矩阵使得矩阵运算/>可逆；

在基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制的作用下，通过步骤四中自适应故障辨识对二阶动态输入τ_ai的有效、精确估计，最终实现基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障建模下无人艇跟踪误差信号∈₁，∈₂的有限时间收敛性；

在终端滑模面s的作用下，无人艇跟踪误差信号∈₁,∈₂收敛性的有限时间界值表示如下：

其中_T表示为有限时间界值，以及V₀表示为李雅普诺夫函数的初始状态值。

在本发明的一个实施例中：无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态综合、统一建模。根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，引入内部状态将常规一阶输入方程转换为无人艇实际控制输入信号τ_a＝[τ_a1τ_a2τ_a3]^T的执行器幅值和速率的二阶输入方程，可得如下表示的第i个二阶动态输入τ_ai,i＝1,2,3：

其中τ_bi表示为二阶动态输入方程的内部状态，u_di表示为二阶动态输入方程的待设计控制输入信号，标量参数λ_ai,λ_bi满足λ_ai＞＞¹,λ_bi＞＞1,λ_ai＞＞λ_bi。

同时引入未知故障双参数k_i及σ_i将无人艇执行器故障综合、统一建模于一类表达式，其无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态输入建模表示如下：

其中未知故障双参数变量k_i∈(0,1]及σ_i表示如下：

其中t_Fi为故障发生时刻，k_i为部分失效系数。未知故障双参数变量ki,σ_i表示如下：

具体地，当故障发生t≥t_Fi后满足σ_i＝0，即为卡死、失灵故障，无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态表示为：

该式表示二阶动态输入方程的待设计控制输入信号无作用，即执行器卡死、失灵表现。当故障发生t≥t_Fi后满足σ_i＝1且k_i∈(0,1)，即部分失效故障，无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态表示为

该式表示二阶动态输入方程的待设计控制输入信号倍乘部分失效系数k_i，即执行器发生部分失效故障。当故障发生t＜t_Fi前满足σ_i＝1且k_i＝1，即无故障，无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态表示为：

该式与健康二阶动态输入方程等价，即执行器未发生故障。

无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态综合、统一建模，改进了现有技术解决单一故障建模问题，同时克服常规无人艇针对不同类型执行器故障采用多分类故障建模方法的分散性和较差迁移性。综合的无人艇执行器卡死、失灵故障，部分失效故障和无故障的统一建模，从而为研究无人艇稳定、安全控制目标下多类型复合故障建模问题提供借鉴和支撑。

在本发明的一个实施例中：无人艇基于双参数自适应故障辨识的可重构容错控制设计方法。针对步骤三中基于未知故障双参数建模的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障模型，采用基于观测器的自适应故障辨识技术与可重构容错控制技术的有效统一。首先，引入二阶动态输入误差在基于双参数自适应故障辨识框架下设计基于未知参数补偿器ξ_i的观测器来实现对无人艇实际控制输入信号的二阶动态输入τ_ai的有效估计，表示如下：

其中分别表示为σ_i,k_i的估计值，/>表示为滤波变量，伴随着微分算子s，其滤波变量分别表示如下：

从而实现二阶动态输入估计值对其真实值τ_ai的有效逼近，即实现二阶动态输入误差/>的有界性。其次，针对无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态综合、统一建模中引入的未知故障双参数变量/>以及故障辨识的观测器中引入的未知参数补偿器ξ_i，分别设计带有投影函数Proj[_0,1]性质的自适应率表示如下：

其中γ_σi,γ_ki表示为正常值参数，参数满足/>利用二阶动态输入误差/>的有界性，以及带有投影函数性质的自适应率可动态自适应调节未知故障双参数动态方程和未知参数补偿器动态方程中的/>从而实现未知故障双参数变量估计值对未知故障真实值σ_i,k_i的有效逼近。再次，根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，引入未知故障双参数误差/>建立如下表示的速度和角速度动态方程：

其中表示为f_R,M(ψ)＝R(ψ)M^-1的第i行元素，φ_i＝[φ_σiφ_ki]^T，以及即可三通道分别表示不同类型执行器故障作用。最后，根据步骤二中二阶动态参考模型，步骤四中自适应故障辨识以及步骤六中终端滑模面s，引入跟踪误差信号∈₁＝η-η_r,∈₂＝ω-ω_r(参考模型位置和角度η_r，参考模型速度和角速度ω_r，二阶动态方程位置和角度η，以及二阶动态方程速度和角速度ω)，设计基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制器表示如下：

其中对角矩阵/>正值参数α₁＞0,α₂＞0,l₁＞0,l₂＞0,q₁＞p₁＞0，W表示为待设计矩阵使得矩阵运算/>可逆，其可逆性确保右端括号中补偿量可有效补偿三通道不同类型执行器故障。

通过二阶动态参考模型中χ(ψ,ν,d)-A_rx_r-B_ru_r，自适应故障辨识以及有限时间滑模控制/>的综合作用，所设计的双参数自适应可重构容错控制从而实现基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障建模下无人艇跟踪误差信号∈₁,∈₂的收敛性和有界性。

该改进点开发的自适应故障辨识和自适应可重构容错控制设计方法充分利用自适应故障辨识对二阶动态输入的有效、精确估计，实现二阶动态输入误差的有界性以及使得故障参数估计值逼近故障参数真实值，克服故障建模引入未知参数的不确定性，以及为无人艇可重构容错控制提供精确、可靠的故障参数估计量，从而改进了现有独立故障辨识和独立容错控制技术的单一性，保留了故障辨识和容错控制的有机联系，克服由于故障辨识信息样本缺失仅能满足无人艇对执行器故障效果一般的被动容错性和鲁棒性，改进的基于有限时间滑模控制的主动可重构容错机制可有效抵消未知执行器故障的影响，实现容错目标以及无人艇跟踪误差信号的收敛性能，最终保障无人艇的健康、安全和稳定。

在本发明的一个实施例中：无人艇基于终端滑模控制的有限时间动态收敛设计方法。定义跟踪误差信号∈₁＝η-η_r,∈₂＝ω-ω_r，设计如下表示的终端滑模控制滑模面s：

其中η_r为无人艇参考模型位置和角度，ω_r为参考模型速度和角速度，η为无人艇二阶动态方程的位置和角度，ω为无人艇二阶动态方程的速度和角速度，以及常值参数为l₁＞0,l₂＞0,q₁＞p₁＞0。当跟踪误差信号∈₁,∈₂受限于终端滑模面时可实现跟踪误差信号∈₁,∈₂在有限时间内收敛到系统原点，且有限时间界值可确定。根据步骤二中二阶动态参考模型，步骤四中自适应故障辨识以及步骤六中终端滑模面s，设计基于终端滑模控制的有限时间双参数自适应可重构容错控制器表示如下：

其中对角矩阵/>正值参数α₁＞0,α₂＞0，W表示为待设计矩阵使得矩阵运算/>可逆，其可逆性确保右端括号中补偿量可有效补偿三通道不同类型执行器故障。

通过二阶动态参考模型中χ(ψ,ν,d)-A_rx_r-B_ru_r，自适应故障辨识以及有限时间终端滑模控制/>的综合作用，所设计的双参数自适应可重构容错控制不仅实现基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障建模下无人艇跟踪误差信号∈₁,∈₂的收敛性和有界性，而且其动态收敛性满足有限时间条件。继而引入李雅普诺夫函数/>无人艇跟踪误差信号∈₁,∈₂收敛性的有限时间界值_T可表示如下：

其中V₀为李雅普诺夫函数的初始状态值。其有限时间动态收敛界值由正值参数α₁,α₂和李雅普诺夫函数初始状态V₀决定。

该改进点开发的无人艇基于终端滑模控制的有限时间动态收敛设计方法受益于有限时间终端滑模控制的作用，有限时间动态收敛界值的获取除克服无人艇遭受执行器故障后动态性能破坏、重构性能损失的局限性，实现无人艇跟踪误差信号的收敛性，也进一步克服了常规可重构容错控制对收敛时间无约束的局限性，该改进点使得无人艇故障收敛时间或系统动态收敛时间小于动态任务执行时间，实现无人艇的有限时间安全性，从而为研究对执行动态任务有特定时间限制的无人艇的有限时间动态收敛性问题提供借鉴和支撑。

图2为本发明的第二个实施例，其示出了基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法作用下无人艇的设定和真实位置轨迹图。

1)时间区间0s-50s，无人艇正常航行，无故障发生；

2)时间区间50s-130s，无人艇持续遭受部分失效故障；

3)时间区间130s-180s，无人艇同时遭受执行器卡死、失灵故障和部分失效故障，经故障辨识中自适应率动态自适应调节未知故障双参数动态方程和未知参数补偿器动态方程，实现未知故障双参数变量估计值对未知故障真实值的有效逼近，同时基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制器补偿三通道不同类型执行器故障。

因此，即使无人艇在50s-130s和130s-180s时间区间发生不同类型执行器故障，该图显示针对无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置(角度)和速度(角速度)动态系统，本发明提出的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，能解决执行器在存在卡死、失灵、部分失效和无故障的复杂场景下依旧保持位置轨迹跟踪以及实现安全、健康的可重构容错控制，保障无人艇的健康、安全和稳定。

综上，上述实施例对基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，包括：

进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模，包括：

将无人艇实际控制输入信号的一阶输入方程转换为执行器幅值和速率的二阶动态方程；

进行双参数建模，使得无人艇执行器的卡死或失灵故障模式、部分失效故障模式与无故障模式统一形成双参数模型；

其中进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模还包括：

根据无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立针对二阶动态方程的无人艇实际控制输入信号τ_a＝[τ_a1τ_a2τ_a3]^T的二阶动态模型，则得到如下表示的第i个二阶动态输入τ_ai,i＝1,2,3：

其中τ_bi表示为二阶动态输入方程的内部状态，u_di表示为二阶动态输入方程的待设计控制输入信号，标量参数λ_ai,λ_bi满足λ_ai＞＞1,λ_bi＞＞1,λ_ai＞＞λ_bi；

其中基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障的建模表示如下：

其中未知故障双参数变量k_i∈(0,1]及σ_i表示如下：

其中t_Fi为故障发生时刻，k_i为部分失效系数；

基于二阶动态输入建模进行无人艇双参数自适应故障辨识，其中在双参数自适应故障辨识中引入基于未知参数补偿器的观测器，实现二阶动态输入误差的有界性以及使得故障参数估计值逼近故障参数真实值，其中进行无人艇双参数自适应故障辨识还包括：

针对基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障模型，在基于双参数自适应故障辨识框架下设计基于未知参数补偿器的观测器来实现对无人艇实际控制输入信号的二阶动态输入τ_ai的有效估计，表示如下：

其中分别表示为τ_ai,σ_i,k_i的估计值，ξ_i表示为未知参数补偿器，/>表示为二阶动态输入误差，/>表示为滤波变量，伴随着微分算子s，其滤波变量分别表示如下：

同时，针对未知故障双参数变量σ_i,k_i和未知参数补偿器ξ_i，设计动态故障辨识自适应率为

其中γ_σi,γ_ki表示为正常值参数，参数满足/>且Proj_[0,1]表示为[0,1]区间的投影函数；

在基于双参数自适应故障辨识框架下实现二阶动态输入误差的有界性以及使得双参数变量估计值/>逼近未知故障真实值σ_i,k_i；以及

基于无人艇双参数二阶动态输入建模和自适应故障辨识，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制。

2.如权利要求1所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制包括：

在双参数自适应可重构容错控制中引入无人艇二阶动态参考模型、无人艇内部动态模型以及建立终端滑模面，根据无人艇双参数自适应故障辨识对二阶动态输入的估计，建立基于有限时间终端滑模控制的双参数自适应可重构容错控制器，得到双参数策略故障建模下无人艇跟踪误差信号的有限时间收敛性；

获取收敛时间有限界值以避免可重构容错控制对收敛时间无约束。

3.如权利要求2所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模还包括：

常规无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程为，

其中η＝[x y ψ]^T表示为位置和角度，具体指x为浪涌位置，y为摇摆位置，ψ为航向角，ν＝[u v r]^T表示为速度和角速度，u为浪涌速度，v为摇摆速度，r为偏航角速度，τ_a＝[τ_a1 τ_a2τ_a3]^T表示为无人艇实际控制输入信号，d＝[d₁ d₂ d₃]^T表示为外部扰动；

惯性矩阵M满足M＝M^T，科里奥利向心力矩阵C(ν)满足C(ν)＝-C^T(ν)，阻尼矩阵D(ν)分别表示如下：

其中m₁₁,m₂₂,m₂₃,m₃₂,m₃₃表示无人艇的惯性系数，由刚体质量、水动力附加质量共同组成，c₁₃(v,r),c₂₃(u),c₃₁(v,r),c₃₂(u)表示科里奥利向心力矩阵系数，由刚体向心力和附加质量两部分构成，d₁₁(u),d₂₂(v,r),d₂₃(v,r),d₃₂(v,r),d₃₃(v,r)表示无人艇航行过程中的阻尼系数，主要由线性阻尼和非线性的粘性阻尼组成；

旋转矩阵R(ψ)满足分别表示如下：

4.如权利要求3所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的双参数二阶动态输入建模还包括：

根据无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程，利用坐标变换可得如下表示的无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程：

其中ω表示为二阶动态方程内部状态，且χ(ψ,ν,d)＝R(ψ)Γ(r)ν-R(ψ)M^-1C(ν)ν-R(ψ)M^-1D(ν)ν+R(ψ)M^-1d；

同时，无人艇的二阶动态参考模型表示如下：

其中表示为无人艇二阶动态参考模型的系统状态，具体指η_r为参考模型的位置和角度，ω_r为参考模型的速度和角速度；A_r,B_r表示为参考模型的系统矩阵且A_r为渐近矩阵，u_r表示为有界连续参考输入信号。

5.如权利要求4所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制还包括：

根据无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立如下表示的内部动态方程：

其中表示为f_R,M(ψ)＝R(ψ)M^-1的第i行元素，φ_i＝[φ_σi φ_ki]^T中包含以及/>

根据获取的参考模型位置和角度η_r，参考模型速度和角速度ω_r，无人艇二阶动态方程位置和角度η，以及无人艇二阶动态模型内部状态，即速度和角速度ω，定义跟踪误差信号∈₁＝η-η_r,∈₂＝ω-ω_r；设计如下表示的终端滑模面

其中常值参数为l₁＞0,l₂＞0,q₁＞p₁＞0。

6.如权利要求5所述的基于双参数自适应故障辨识的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，进行无人艇基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制还包括：

根据二阶动态参考模型，自适应故障辨识以及终端滑模面设计基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制器表示如下：

其中对角矩阵/>正值参数α₁＞0,α₂＞0，以及W表示为待设计矩阵使得矩阵运算/>可逆；

在基于有限时间滑模控制的双参数自适应可重构容错控制的作用下，通过自适应故障辨识对二阶动态输入τ_ai的有效、精确估计，最终实现基于双参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障建模下无人艇跟踪误差信号∈₁,∈₂的有限时间收敛性；

在终端滑模面的作用下，无人艇跟踪误差信号∈₁,∈₂收敛性的有限时间界值表示如下：

其中T表示为有限时间界值，以及V₀表示为李雅普诺夫函数的初始状态值。