[發明專利]考慮誤差約束的海底地震檢波飛行節點有限時間構型包含容錯控制方法

有效

• 申請號: 201811392136.6
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN109240081B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 孫延超;秦洪德;陳輝;李曉佳;李凌宇;張棟梁
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 劉冰

1.考慮誤差約束的海底地震檢波飛行節點有限時間構型包含容錯控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、建立多海底地震檢波飛行節點系統的動力學和運動學方程；

海底地震檢波飛行節點包括領航者飛行節點和跟隨者飛行節點；

推進器損壞產生的影響表示為推力分布矩陣的變化，定義為ΔB，實際作用在飛行節點上的推力或力矩從τ變為τ+Δτ；

步驟2、基于飛行節點的動力學和運動學方程以及推進器損壞對應的飛行節點上的推力或力矩，選取誤差函數與有限時間滑模變量；并選擇非奇異快速終端滑模面；

在選取誤差函數的過程中，對于誤差函數使用誤差約束方程k_ai和k_bi分別是時變的下界和上界，k_aih(t)、k_bih(t)分別為k_ai和k_bi的元素；然后將誤差函數轉換為和K_Ai(t)＝diag(k_ai1(t),…,k_ain(t))，K_Bi(t)＝diag(k_bi1(t),…,k_bin(t))；根據ξ_ai(t)和ξ_bi(t)確定非奇異快速終端滑模面s_i；

步驟3、根據選取的誤差函數、有限時間滑模變量和非奇異快速終端滑模面，設計控制器，從而實現海底地震檢波飛行節點有限時間構型包含控制；

所述步驟1的具體過程如下：

建立多海底地震檢波飛行節點系統的動力學和運動學方程：

式中：角標i表示參數是針對飛行節點i的參數；M_ηi＝M_iJ_i^-1，J_i為本體坐標系到慣性坐標系的轉換矩陣，M_i為包括附加質量的慣性矩陣；為J_i的一階導數，C_RBi為飛行節點i的剛體科氏向心力矩陣；C_Aηi＝C_Ai(ν_ri)J_i^-1，C_Ai是附加質量科氏向心力矩陣；D_ηi＝D_i(ν_ri)J_i^-1，D_i為阻尼系數矩陣；g_ηi＝g_i(η_i)，g_i(η_i)為由重力和浮力產生的恢復力向量；ν_ri為飛行節點相對于海流的速度；ν_i＝[u_i v_i w_i p_i q_i r_i]^T為飛行節點i在本體坐標系下定義的關于速度的矢量，ν_ri＝ν_i-ν_ci，ν_ci為海流在固定坐標系下的速度；為在慣性坐標系下定義的關于位置和方向的矢量，x_i、y_i、z_i分別為縱向位移、橫向位移、垂向位移；θ_i、ψ_i分別為橫搖角度，縱搖角度，艏搖角度；τ_i為作用在飛行節點上的推力或力矩；

海底地震檢波飛行節點包括領航者飛行節點和跟隨者飛行節點；

對于領航者飛行節點，不存在干擾；對于i∈v_L，有

v_L表示領航者飛行節點集合；τ_Li表示領航者飛行節點的控制器；

推進器損壞產生的影響表示為推力分布矩陣的變化，定義為ΔB，實際作用在飛行節點上的推力或力矩從τ變為τ+Δτ；

τ+Δτ＝(B_z-KB)u＝(B_z+ΔB)u (3)

其中，B_z是推力分布矩陣的估計值；u是推進器的控制輸入；K是對角矩陣，元素k_ii∈[0,1]表示相應推進器故障的大小；Δτ為推力或力矩的變化量；

根據(3)，將(1)轉化為

式中，下標z定義為各參數對應的估計值；F_i為一般不確定性，即一般擾動，表示為

其中，表示海流擾動產生的影響；ΔM_ηi、ΔB_i、ΔC_RBηi、ΔC_Aηi、ΔD_ηi、Δg_ηi分別表示M_ηi、B_i、C_RBηi、C_Aηi、D_ηi、g_ηi各自對應的不確定值；

步驟2所述選取誤差函數與有限時間滑模變量并選擇非奇異快速終端滑模面的過程如下：

選取誤差函數與有限時間滑模變量：

定義如下的誤差函數：

其中，v_F表示跟隨者飛行節點集合；a_ij為有向圖的加權鄰接矩陣中與飛行節點i和飛行節點j相關的元素；

可得

誤差約束方程為

式中，k_ai和k_bi分別是時變的下界和上界；k_aih(t)、k_bih(t)分別為k_ai和k_bi的元素，滿足-k_aih(t)＜k_bih(t)，h＝1,…,n，n代表自由度的數量；

將誤差函數轉換為

其中，K_Ai(t)＝diag(k_ai1(t),…,k_ain(t))，K_Bi(t)＝diag(k_bi1(t),…,k_bin(t))；

定義和q_m(x)＝diag(q_mi(x₁),…,q_mi(x_n))；

使得

ξ_i＝q_miξ_bi+(E_n-q_mi)ξ_ai (11)

對(11)求導，得

其中，E_n為n×n單位陣

選擇如下非奇異快速終端滑模面：

其中，α₁、α₂、β₁、β₂均為常數，1＜α₁＜2，q₁、q₂是正奇整數，α₂＞α₁，β₁＞1，β₂＞0；

根據ξ_i＝[ξ_i1,ξ_i2,…,ξ_in]^T和分別定義Ξ_i＝diag(|ξ_i1|,|ξ_i2|,…,|ξ_in|)和

對(14)求導并結合(13)，得