CN117406609A - 用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及控制光电精密测量稳定平台的技术领域，尤其涉及一种用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，包括：S1：建立舰载稳定平台的受扰动力学模型；S2：根据集总扰动，设计舰载稳定平台的动态误差面；S3：根据舰载稳定平台的动态误差面，设计自适应干扰观测器；S4：建立舰载稳定平台的名义模型，并结合名义模型获得自适应干扰观测器的补偿项；S5：根据自适应干扰观测器和补偿项，设计分层式干扰补偿器；S6：根据分层式干扰补偿器，设计高动态非奇异终端滑模控制器，实现对舰载稳定平台所受扰动的高精度跟踪控制。本发明能够在保证舰载稳定平台的抗干扰能力强的同时，提高对舰载稳定平台的控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及控制光电精密测量稳定平台的技术领域，尤其涉及一种用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法。
背景技术
舰船在航行过程中，受风浪、水流及平台系统内部的摩擦、不平衡力矩等扰动的影响，舰载稳定平台的性能受到了极大的挑战。因此，设计高精度、快响应的伺服控制系统对提高舰载光电装备的性能变得尤为重要。为了实现舰载光电测量稳定平台的高精度控制，相关领域的研究人员采用前馈控制、反馈控制及相应的复合控制方法来实现舰载稳定平台的高精度控制。然而，上述方法对舰载稳定平台的控制精度不高，在扰动发生变化时，无法精确的跟踪舰载稳定平台的期望输出位移，且在实际应用中，传统的控制方法的动态性能和鲁棒性等指标已经无法满足当前阶段对舰载稳定平台的高精度、高动态控制需求。
发明内容
本发明为解决现有的控制方法在动态性能和鲁棒性等指标上无法满足当前阶段对舰载稳定平台的高精度和高动态的控制需求，提供一种用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，能够在保证舰载稳定平台的抗干扰能力的同时，提高对舰载稳定平台的控制性能。
本发明提出的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，具体包括如下步骤：
S1：建立舰载稳定平台的受扰动力学模型：
（1）；
其中，，/>，/>为舰载稳定平台的质量，/>为舰载稳定平台的阻尼系数，/>为舰载稳定平台的比例系数；/>为舰载稳定平台的输入量，/>和/>分别为舰载稳定平台输出的位置和速度，/>为舰载稳定平台所受的集总扰动；
S2：根据集总扰动，通过下式设计舰载稳定平台的动态误差面：
（2）；
其中，，/>为舰载稳定平台输出的速度/>的估计值，，/>和/>均为常数，且/>，/>；
S3：根据舰载稳定平台的动态误差面，通过下式设计自适应干扰观测器，实现对集总扰动的估计：
（3）；
其中，为常数，/>为自适应增益，且/>，/>为自适应干扰观测器的增益项估计值，/>为集总扰动的估计值；
S4：建立舰载稳定平台的名义模型，并结合名义模型获得自适应干扰观测器的补偿项；
S5：根据自适应干扰观测器和补偿项，通过下式设计分层式干扰补偿器：
（4）；
其中，为舰载稳定平台的补偿项；
S6：根据分层式干扰补偿器，通过下式设计高动态非奇异终端滑模控制器，实现对舰载稳定平台所受扰动的高精度跟踪控制：
（5）；
其中，为高动态非奇异终端滑模控制器，/>为舰载稳定平台的期望输出位移的二阶导数，/>和/>均为高动态非奇异终端滑模控制器的趋近律的控制参数，/>为动态误差面的估计值，/>为舰载稳定平台的期望输出位移与实际输出位移的误差，/>为/>的时间导数，/>和/>均为正奇数，且/>，/>为正常数。
优选地，步骤S4具体包括如下步骤：
S41：建立舰载稳定平台的名义模型：
（6）；
其中，和/>分别为名义模型输出的位置和速度；
S42：为了计算舰载稳定平台的补偿项，通过下式设计舰载稳定平台的位置误差面：
（7）；
其中，，/>为舰载稳定平台输出的位置与名义模型输出的位置的差值，/>为正常数；
S43：对式（7）进行求导，并结合名义模型获得自适应干扰观测器的补偿项：
（8）；
（9）；
其中，为常数增益，/>为自适应增益。
优选地，自适应干扰观测器用于通过对自适应率进行调节，实现对增益项的自适应调节，自适应干扰观测器的自适应率：
（10）；
其中，和/>均为正常数。
优选地，高动态非奇异终端滑模控制器的滑模面：
（11）；
其中，，/>为舰载稳定平台的期望输出位移。
优选地，高动态非奇异终端滑模控制器的趋近律：
（12）。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明基于分层式干扰补偿器设计了高动态非奇异终端滑模控制器，对舰载稳定平台所受的扰动具有很强的抑制能力，在保证舰载稳定平台具有较强的抗干扰能力的同时，提出的高动态非奇异终端滑模控制器能够实现对舰载稳定平台的高动态控制。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法的原理框图；
图2是根据本发明实施例提供的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法的流程示意图；
图3是根据本发明实施例提供的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法的轨迹跟踪曲线图；
图4是根据本发明实施例提供的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法的轨迹跟踪控制误差图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法的原理。
如图1所示，将舰载稳定平台输出的期望位置和实际输出位置的差值作为高动态非奇异终端滑模控制器的输入，然后将高动态非奇异终端滑模控制器的输出和舰载稳定平台的输出作为自适应干扰观测器的输入，在此基础上，本发明实施例通过建立舰载稳定平台的名义模型，并基于名义模型输出的位置设计自适应干扰观测器和补偿项，将名义模型的输出与舰载稳定平台的输出做差并作为自适应更新律（自适应更新律用于获取自适应干扰观测器的增益项估计值）的输入，实现对自适应干扰观测器的参数的自适应调节。然后，将自适应干扰观测器的补偿项的输出与自适应干扰观测器的输出做差，从而构成对舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制，实现在复杂扰动条件下对舰载稳定平台的高精度控制。
图2示出了根据本发明实施例提供的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法的流程。
如图2所示，本发明实施例提出的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，具体包括如下步骤：
S1：建立舰载稳定平台的受扰动力学模型：
（1）；
其中，，/>，/>为舰载稳定平台的质量，/>为舰载稳定平台的阻尼系数，/>为舰载稳定平台的比例系数；/>为舰载稳定平台的输入量，/>和/>分别为舰载稳定平台输出的位置和速度，/>为舰载稳定平台所受的集总扰动；
S2：根据集总扰动，通过下式设计舰载稳定平台的动态误差面：
（2）；
其中，，/>为舰载稳定平台输出的速度/>的估计值，，/>和/>均为常数，且/>，/>；
S3：根据舰载稳定平台的动态误差面，通过下式设计自适应干扰观测器，实现对集总扰动的估计：
（3）；
其中，为常数，/>为自适应增益，且/>，/>为自适应干扰观测器的增益项估计值，/>为集总扰动的估计值；
S4：建立舰载稳定平台的名义模型，并结合名义模型获得自适应干扰观测器的补偿项；
步骤S4具体包括如下步骤：
S41：建立舰载稳定平台的名义模型：
（6）；
其中，和/>分别为名义模型输出的位置和速度；
S42：为了计算舰载稳定平台的补偿项，通过下式设计舰载稳定平台的位置误差面：
（7）；
其中，，/>为舰载稳定平台输出的位置与名义模型输出的位置的差值，/>为正常数；
S43：对式（7）进行求导，并结合名义模型获得自适应干扰观测器的补偿项：
（8）；
（9）；
其中，为常数增益，/>为自适应增益。
自适应干扰观测器用于通过对自适应率进行调节，实现对增益项的自适应调节，自适应干扰观测器的自适应率：
（10）。
其中，和/>均为正常数。
S5：根据自适应干扰观测器和补偿项，通过下式设计分层式干扰补偿器：
（4）；
其中，为舰载稳定平台的补偿项；
S6：根据分层式干扰补偿器，通过下式设计高动态非奇异终端滑模控制器，实现对舰载稳定平台所受扰动的高精度跟踪控制：
（5）；
其中，为高动态非奇异终端滑模控制器，/>为舰载稳定平台的期望输出位移的二阶导数，/>和/>均为高动态非奇异终端滑模控制器的趋近律的控制参数，/>为动态误差面的估计值，/>为舰载稳定平台的期望输出位移与实际输出位移的误差，/>为/>的时间导数，/>和/>均为正奇数，且/>，/>为正常数。
高动态非奇异终端滑模控制器的滑模面：
（11）；
其中，，/>为舰载稳定平台的期望输出位移。
高动态非奇异终端滑模控制器的趋近律：
（12）。
图3示出了根据本发明实施例提供的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法的轨迹跟踪曲线。
如图3所示，舰载稳定平台对正弦信号进行了高精度跟踪，即在正弦轨迹的第二周期施加一个2秒的阶跃信号，在高动态非奇异终端滑模控制器的作用下能够实现对舰载稳定平台的高精度跟踪控制。
图4示出了根据本发明实施例提供的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法的轨迹跟踪控制误差。
如图4所示，在高动态非奇异终端滑模控制器的作用下，舰载稳定平台的轨迹跟踪误差在1秒和3秒期间均实现了对阶跃扰动的补偿，虽然误差有一定的增加，但是误差保持在0.007秒以内。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1：建立所述舰载稳定平台的受扰动力学模型：
（1）；
其中，，/>，/>为所述舰载稳定平台的质量，/>为所述舰载稳定平台的阻尼系数，/>为所述舰载稳定平台的比例系数；/>为所述舰载稳定平台的输入量，/>和分别为所述舰载稳定平台输出的位置和速度，/>为所述舰载稳定平台所受的集总扰动；
S2：根据所述集总扰动，通过下式设计所述舰载稳定平台的动态误差面：
（2）；
其中，，/>为所述舰载稳定平台输出的速度/>的估计值，，/>和/>均为常数，且/>，/>；
S3：根据所述舰载稳定平台的动态误差面，通过下式设计自适应干扰观测器，实现对所述集总扰动的估计：
（3）；
其中，为常数，/>为自适应增益，且/>，/>为所述自适应干扰观测器的增益项估计值，/>为所述集总扰动的估计值；
S4：建立所述舰载稳定平台的名义模型，并结合所述名义模型获得所述自适应干扰观测器的补偿项；
S5：根据所述自适应干扰观测器和所述补偿项，通过下式设计分层式干扰补偿器：
（4）；
其中，为所述舰载稳定平台的补偿项；
S6：根据所述分层式干扰补偿器，通过下式设计高动态非奇异终端滑模控制器，实现对所述舰载稳定平台所受扰动的高精度跟踪控制：
（5）；
其中，为所述高动态非奇异终端滑模控制器，/>为所述舰载稳定平台的期望输出位移的二阶导数，/>和/>均为所述高动态非奇异终端滑模控制器的趋近律的控制参数，/>为所述动态误差面的估计值，/>为所述舰载稳定平台的期望输出位移与实际输出位移的误差，/>为/>的时间导数，/>和/>均为正奇数，且/>，/>为正常数。
2.根据权利要求1所述的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：
S41：建立所述舰载稳定平台的名义模型：
（6）；
其中，和/>分别为所述名义模型输出的位置和速度；
S42：为了计算所述舰载稳定平台的补偿项，通过下式设计所述舰载稳定平台的位置误差面：
（7）；
其中，，/>为所述舰载稳定平台输出的位置与所述名义模型输出的位置的差值，/>为正常数；
S43：对式（7）进行求导，并结合所述名义模型获得所述自适应干扰观测器的补偿项：
（8）；
（9）；
其中，为常数增益，/>为自适应增益。
3.根据权利要求2所述的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，所述自适应干扰观测器用于通过对自适应率进行调节，实现对所述增益项的自适应调节，所述自适应干扰观测器的自适应率：
（10）；
其中，和/>均为正常数。
4.根据权利要求1所述的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，所述高动态非奇异终端滑模控制器的滑模面：
（11）；
其中，，/>为所述舰载稳定平台的期望输出位移。
5.根据权利要求1所述的用于舰载稳定平台的高动态非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，所述高动态非奇异终端滑模控制器的趋近律：
（12）。
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