CN117706923B - 含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滑模控制技术领域，尤其涉及含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法及系统，包括构建轮式拖拉机路径跟踪系统的数学模型；构造带障碍物函数的自适应类超螺旋滑模控制器，通过调节障碍函数中的调节参数δ，提高控制器增益调节速率，提高时变干扰下的跟踪精度；使用横向偏差增广状态的观测误差进行观测器设计，减少集总干扰突变时的观测超调；将滑模动力学系统状态与集总干扰的观测值反馈到自适应律的类超螺旋滑模控制器中，得到复合类超螺旋滑模控制器。本发明含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法，不仅解决了滑模控制中存在的抖振问题，提高系统的鲁棒性与跟踪性能，而且对传感器测量噪声也有一定的抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及滑模控制技术领域，尤其涉及含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法及系统。
背景技术
轮式拖拉机自动导航控制技术是智能化农业装备的核心技术，而路径跟踪控制是轮式拖拉机自动导航控制技术的关键组成部分，对提高轮式拖拉机作业效率和品质起着决定性作用。目前，国内外学者针对轮式拖拉机路径跟踪方法进行了大量研究，包括PID控制、纯追踪控制、最优控制等。然而，这些控制方法仍存在抗干扰能力弱、上线速度慢、精度低、稳定性差等问题，在复杂作业工况下上述问题尤为突出。
滑模控制凭借其快速响应性、易于实现性和强抗干扰性而备受关注，特别是在农业装备路径跟踪控制领域得到了深入研究，拥有广泛的发展和应用空间。
但是，传统滑模控制方法存在相对阶限制与抖振问题；值得指出的是，在保证闭环滑模系统鲁棒性的必要前提条件下，高阶滑模能有效处理传统滑模中的相对阶限制和抖振问题。鉴于此，近年来关于高阶滑模控制理论与应用的研究正处于快速发展的阶段，已逐渐成为路径跟踪控制领域的热点话题之一。
“A Generalized SupertwistingAlgorithm,doi:10.1109/TCYB.2022.3188877”中提出的类超螺旋滑模控制器，存在保守控制器增益的选取，在轮式拖拉机路径跟踪控制系统的产生明显的抖振现象。
又如“Tracking Control ofa Linear Motor Positioner based on BarrierFunction Adaptive Sliding Mode,doi:10.1109/TII.2021.3057832”中障碍函数构造，无法获得控制器增益调节速率，从而降低了轮式拖拉机路径跟踪系统在时变干扰下的跟踪精度。
此外，传感器带来的测量噪声会影响系统状态信息的准确性，甚至影响系统的稳定性；因此，需要在滑模控制器设计的基础上考虑测量噪声抑制的问题，以期提高轮式拖拉机路径跟踪系统的动态与稳态性能。
例如“Nonsmooth Observer-Based Sensorless Speed Control for PermanentMagnet Synchronous Motor,doi:10.1109/TIE.2022.3140534”中非光滑观测器，缺乏自适应律，在系统集总干扰突变时的存在明显的观测超调，且传感器测量噪声抑制效果差等问题。
发明内容
针对现有方法的不足，本发明设计的含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法，不仅解决了滑模控制中存在的抖振问题，提高系统的鲁棒性与跟踪性能，而且对传感器测量噪声也有一定的抑制效果。
本发明所采用的技术方案是：含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法包括以下步骤：
步骤一、构建轮式拖拉机路径跟踪系统的数学模型，选取滑模面，构造类超螺旋滑模控制器；
步骤二、在类超螺旋滑模控制器中引入自适应律，构造带障碍物函数的自适应类超螺旋滑模控制器，通过调节障碍函数中的调节参数δ，提高控制器增益调节速率，提高时变干扰下的跟踪精度；
作为本发明的一种优选实施方式，自适应类超螺旋滑模控制器的公式为：
其中，h1、h2为常数，L(x1)为滑模控制自适应律，ε为控制器参数，u为控制变量，v为虚拟控制器，x1为横向偏差。
作为本发明的一种优选实施方式，滑模控制自适应律的公式为：
其中，e为自然常数，α为正常数，t为时间，为横向偏差，fb(x1)为障碍函数，δ为收敛到区间值。
步骤三、设计增广自适应非光滑观测器，并使用增广自适应非光滑观测器对路径跟踪的状态和集总干扰同时进行观测；使用横向偏差增广状态的观测误差进行观测器设计，减少集总干扰突变时的观测超调；
作为本发明的一种优选实施方式，增广自适应非光滑观测器的公式为：
其中，常数k1、k2、k3、k4为常数，滑模动力学系统状态x1的增广状态为 和/>为系统状态x1和增广状态X1的观测值，/>为系统状态x2的观测值，/>为滑模动力学系统集总干扰的观测值，/>为横向偏差增广状态的观测误差，τ为观测器参数，为自适应律。
作为本发明的一种优选实施方式，自适应律的公式为：
其中，ρ和κ为自适应律参数，为横向偏差增广状态的观测误差。
步骤四、将滑模动力学系统状态与集总干扰的观测值反馈到自适应律的类超螺旋滑模控制器中，得到复合类超螺旋滑模控制器；
作为本发明的一种优选实施方式，复合类超螺旋滑模控制器的公式为：
其中，和/>为滑模动力学系统状态和集总干扰的观测值。
作为本发明的一种优选实施方式，自适应律的类超螺旋滑模控制器的参数α＝20，ε＝-0.3。
作为本发明的一种优选实施方式，增广自适应非光滑观测器的参数ρ＝10，κ＝3，τ＝-0.2。
作为本发明的一种优选实施方式，含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制系统，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法。
作为本发明的一种优选实施方式，存储有计算机程序代码的计算机可读介质，其特征在于，计算机程序代码在由处理器执行时实现含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法。
本发明的有益效果：
1、采用基于障碍函数的自适应律对类超螺旋滑模控制器增益进行在线调节，提高了轮式拖拉机路径跟踪系统的动态与稳态性能；
2、利用增广自适应非光滑观测器直接观测滑模动力学系统状态信息，有效减少传感器测量噪声带来的不利影响；
3、使用自适应律对增广非光滑观测器增益进行调节，可以使观测器具有良好观测精度的同时，有效抑制轮式拖拉机路径跟踪系统的噪声。
附图说明
图1为轮式拖拉机路径跟踪控制系统原理框图；
图2为U型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的路径跟踪轨迹对比图；
图3为U型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的横向偏差对比图；
图4为U型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的转向角对比图；
图5为S型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的路径跟踪轨迹对比图；
图6为S型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的横向偏差对比图；
图7为S型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的转向角对比图；
图8为非光滑观测器和增广自适应非光滑观测器的观测结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法包括以下步骤：
步骤一、构建轮式拖拉机路径跟踪系统的数学模型，选取合适的滑模面，设计基于类超螺旋滑模算法的控制器；
轮式拖拉机路径跟踪控制系统由轮式拖拉机、自适应类超螺旋滑模控制器、增广自适应非光滑观测器、滑模动力学系统、路径跟踪模型组成；基于该系统，通过轮式拖拉机的具体参数和其在MATLAB软件中的仿真结果具体说明本发明的具体实施方式；仿真中轮式拖拉机的纵向速度为2.8m/s，轴距为1.5m。
根据轮式拖拉机具体参数，建立轮式拖拉机路径跟踪系统的数学模型为：
其中，Los为横向偏差，.为对时间求导；σ为方向系数，V为拖拉机纵向速度，θos为定向误差，Lt为轴距，δ为前轮转向角，θd为期望航向角，dt为路径跟踪系统集总干扰；
令x1＝Los和x2＝Vsinθos，滑模动力学系统可以构造为：
其中，为控制系数，u＝tanδ为控制变量，/>为滑模动力学系统集总干扰。
根据滑模动力学系统，构造类超螺旋滑模控制器为：
其中，λ1和λ2为类超螺旋滑模控制器增益，ε∈(-1/2,0)为控制器参数，v为虚拟控制器。
步骤二、针对于类超螺旋滑模控制器，提出基于障碍函数的控制器增益调节方法，设计自适应类超螺旋滑模控制器；
其中，常数h1＝1.5，h2＝1.1，L(x1)为自适应律。
“A Generalized Supertwisting Algorithm,doi:10.1109/TCYB.2022.3188877”中提出的类超螺旋滑模控制器构造为：
与现有类超螺旋滑模控制器设计方法相比，本发明提出的自适应类超螺旋滑模控制器在传统类超螺旋控制器的基础上增加了自适应律，避免了保守控制器增益的选取，从而降低轮式拖拉机路径跟踪控制系统的抖振现象。
设计滑模控制自适应律L(x1)为：
其中，e为自然常数，α为正常数，t为时间，为横向偏差x1首次收敛到区间(-δ,δ)内的时刻，fb(x1)为障碍函数。
“Tracking Control of a Linear Motor Positioner based on BarrierFunction Adaptive Sliding Mode,doi:10.1109/TII.2021.3057832”中障碍函数构造为：
与现有障碍函数设计方法相比，本发明提出的障碍函数设计方法使用可调节的参数δ替换现有障碍函数中的偏差状态x1，通过调节参数δ的值，可以获得更快的控制器增益调节速率，从而提高轮式拖拉机路径跟踪系统在时变干扰下的跟踪精度。
自适应律L(x1)的参数调节思想是，在轮式拖拉机运行的初始时刻采用单调递增的自适应律随着滑模控制器增益增加，当轮式拖拉机横向偏差x1首次收敛到区间(-δ,δ)内时，切换到由障碍函数fb(x1)构造的自适应律，确保横向偏差始终在区域(-δ,δ)内。
步骤三、设计增广自适应非光滑观测器，并使用增广自适应非光滑观测器对路径跟踪的状态和集总干扰同时进行观测；使用横向偏差增广状态的观测误差进行观测器设计，减少集总干扰突变时的观测超调；
增广自适应非光滑观测器，结构为：
其中，常数k1＝5，k2＝3，k3＝1.5，k4＝1.1，滑模动力学系统状态x1的增广状态为 和/>为系统状态x1和增广状态X1的观测值，/>为系统状态x2的观测值，/>为滑模动力学系统集总干扰的观测值，/>为横向偏差增广状态的观测误差，τ∈(-1/4,0)为观测器参数，/>为增广自适应律。
“Nonsmooth Observer-Based Sensorless Speed Control for PermanentMagnet Synchronous Motor,doi:10.1109/TIE.2022.3140534”中非光滑观测器构造为：
其中，为横向偏差的观测误差；与现有非光滑观测器设计方法相比，本发明提出的增广自适应非光滑观测器在传统非光滑观测器的基础上增加了自适应律，并使用横向偏差增广状态的观测误差进行观测器设计；本发明提出的增广自适应非光滑观测器能减少传统观测器在系统集总干扰突变时的观测超调，并且对传感器测量噪声也有一定的抑制效果。
其中，自适应律为：
其中，ρ和κ为自适应律参数。
自适应律是一个在区间(0，+∞)内单调递增的凹函数，当观测误差逐渐远离原点时，自适应律/>的输出也会增大，从而提高观测器的观测精度，减小观测误差。
步骤四、将滑模动力学系统状态与集总干扰的观测值反馈自适应律的类超螺旋滑模控制器中，得到复合类超螺旋滑模控制器；
复合类超螺旋滑模控制器为：
其中，和/>为滑模动力学系统状态和集总干扰的观测值。
设计轮式拖拉机路径跟踪控制器后，通过仿真对比，验证本发明的控制效果；具体地，设置类超螺旋滑模控制器的参数为λ1＝150，λ2＝22500，ε＝-0.3；选取自适应类超螺旋滑模控制器的参数为α＝20，ε＝-0.3；选取增广自适应非光滑观测器的参数为ρ＝10，κ＝3，τ＝-0.2。
图2为U型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的路径跟踪轨迹对比图，图3为U型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的横向偏差对比图，图4为U型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的转向角对比图，图5为S型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的路径跟踪轨迹对比图，图6为S型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的横向偏差对比图，图7为S型转弯下类超螺旋滑模和复合类超螺旋滑模的转向角对比图，图8为非光滑观测器和增广自适应非光滑观测器的观测结果对比图。
由仿真结果可以看出，综合来说，自适应类超螺旋滑模控制器与传统类超螺旋滑模控制器相比，具有更好的抗干扰性能；且自适应类超螺旋滑模控制器中的抖振明显小于传统类超螺旋滑模控制器；此外，增广自适应非光滑观测器的观测精度明显优于传统非光滑观测器，并且在集总干扰突变时，增广自适应非光滑观测器的观测超调较小。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、构建轮式拖拉机路径跟踪系统的数学模型，选取滑模面，构造类超螺旋滑模控制器；
步骤二、在类超螺旋滑模控制器中引入自适应律，构造带障碍物函数的自适应类超螺旋滑模控制器，通过调节障碍函数中的调节参数δ，提高控制器增益调节速率，提高时变干扰下的跟踪精度；
步骤三、设计增广自适应非光滑观测器，并使用增广自适应非光滑观测器对路径跟踪的状态和集总干扰同时进行观测；使用横向偏差增广状态的观测误差进行观测器设计，减少集总干扰突变时的观测超调；
步骤四、将滑模动力学系统状态与集总干扰的观测值反馈到自适应律的类超螺旋滑模控制器中，得到复合类超螺旋滑模控制器；
自适应类超螺旋滑模控制器的公式为：
其中，h1、h2为常数，L(x1)为滑模控制自适应律，ε为控制器参数，u为控制变量，v为虚拟控制器，x1为横向偏差；
滑模控制自适应律的公式为：
其中，e为自然常数，α为正常数，t为时间，为横向偏差x1首次收敛到区间(-δ,δ)内的时刻，fb(x1)为障碍函数，δ为收敛到区间值；
增广自适应非光滑观测器的公式为：
其中，常数k1、k2、k3、k4为常数，滑模动力学系统状态x1的增广状态为 和/>为系统状态x1和增广状态X1的观测值，/>为系统状态x2的观测值，/>为滑模动力学系统集总干扰的观测值，/>为横向偏差增广状态的观测误差，τ为观测器参数，/>为自适应律；
自适应律的公式为：
其中，ρ和κ为自适应律参数，为横向偏差增广状态的观测误差。
2.根据权利要求1所述的含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法，其特征在于，复合类超螺旋滑模控制器的公式为：
其中，和/>为滑模动力学系统状态和集总干扰的观测值，h1、h2为常数。
3.根据权利要求1所述的含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法，其特征在于，自适应律的类超螺旋滑模控制器的参数α＝20，ε＝-0.3。
4.根据权利要求1所述的含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法，其特征在于，增广自适应非光滑观测器的参数ρ＝10，κ＝3，τ＝-0.2。
5.含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制系统，其特征在于，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现如权利要求1-4任一项所述的含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法。
6.存储有计算机程序代码的计算机可读介质，其特征在于，计算机程序代码在由处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的含测量噪声的轮式拖拉机路径跟踪滑模控制方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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