[發(fā)明專利]基于ADRC的船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910013166.X
• 申請(qǐng)日: 2019-01-07
• 公開（公告）號(hào): CN109739248B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜佳璐;許猛;吳瑞;許桂賢;孫玉清
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/04
• 分類號(hào): G05D1/04;G05D1/08
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種基于ADRC的船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制方法，其特征在于：所述的船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型用如下狀態(tài)空間表達(dá)式描述：

式中，x₁是船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的三維位姿信號(hào)向量，由橫搖角α、縱搖角β和垂蕩位移z組成；x₂是船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的三維速度信號(hào)向量，由橫搖角速度縱搖角速度和垂蕩位移速度組成；u是三維控制輸入向量，由船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)三個(gè)液壓缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力τ₁、τ₂、τ₃組成；y＝x₁是三維輸出向量，即船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)際位姿向量；g(x)是3×3維控制增益矩陣，包括可逆標(biāo)稱增益矩陣和不確定增益矩陣Δg(x)，即f(x)是一個(gè)三維向量函數(shù)，表示船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)動(dòng)態(tài)，包括船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的標(biāo)稱動(dòng)態(tài)和不確定動(dòng)態(tài)Δf(x)，即

考慮海中的船舶會(huì)受到海洋環(huán)境擾動(dòng)的影響，從而產(chǎn)生船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)，用一個(gè)三維向量ζ(t)表示船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)造成的不確定擾動(dòng)，則船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型(1)進(jìn)一步表示為如下形式：

所述的方法包括以下步驟：

A、將船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型(2)中存在的不確定項(xiàng)Δf(x)、Δg(x)·u以及ζ(t)視為一個(gè)總擾動(dòng)向量d(x)，即d(x)＝Δf(x)+Δg(x)·u+ζ(t)，并將這個(gè)總擾動(dòng)向量擴(kuò)張成船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)一個(gè)新的三維狀態(tài)向量x₃，記作x₃＝d(x)，并記w(t)表示總擾動(dòng)向量的變化率，是未知的有界向量函數(shù)；則船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型(2)擴(kuò)張為：

B、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器被設(shè)計(jì)如下：

式中，e＝z₁-y；z₁、z₂分別是船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)狀態(tài)向量x₁、x₂的估計(jì)；z₃是總擾動(dòng)向量x₃的估計(jì)；β₀₁、β₀₂、β₀₃是擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)參數(shù)；

擴(kuò)張狀態(tài)觀測器利用船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的控制輸入向量u和實(shí)際位姿輸出向量y獲得船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)狀態(tài)向量的估計(jì)z₁、z₂及總擾動(dòng)向量的估計(jì)z₃；

設(shè)計(jì)參數(shù)β₀₁、β₀₂、β₀₃的選定分為三步進(jìn)行：

B1、所設(shè)計(jì)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為類龍伯格非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，因此，首先假設(shè)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(4)中的g_i(e)＝e，則擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(4)變成如下形式：

采用極點(diǎn)配置的方法，進(jìn)行擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)β₀₁、β₀₂、β₀₃的初始設(shè)計(jì)；將式(5)減去式(3)得到擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的誤差動(dòng)態(tài)方程：

式中：

z＝[z₁ z₂ z₃]^T

x＝[x₁ x₂ x₃]^T

A^*＝A-LC

C＝[1 0 0]

B2、設(shè)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器誤差動(dòng)態(tài)方程(6)中的控制矩陣A^*的期望特征值為p₁、p₂、p₃，則由下式：

確定擴(kuò)張狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)參數(shù)β₀₁、β₀₂、β₀₃的值：

B3、在所確定的設(shè)計(jì)參數(shù)β₀₁、β₀₂、β₀₃下對(duì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，若仿真結(jié)果表明z₁、z₂、z₃已經(jīng)準(zhǔn)確估計(jì)船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的狀態(tài)向量x₁、x₂及擴(kuò)張狀態(tài)向量x₃，則設(shè)計(jì)參數(shù)β₀₁、β₀₂、β₀₃選定為所確定的值；否則，返回步驟B2，重新設(shè)定控制矩陣A^*的期望特征值，重新確定設(shè)計(jì)參數(shù)β₀₁、β₀₂、β₀₃，直到擴(kuò)張狀態(tài)觀測器準(zhǔn)確估計(jì)船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的狀態(tài)向量x₁、x₂及總擾動(dòng)向量x₃為止；

C、非線性狀態(tài)誤差反饋控制律被設(shè)計(jì)如下：

式中，e₁＝y(tǒng)_d-z₁，e₂＝-z₂；y_d是船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的期望位姿信號(hào)向量；β₁是比例增益，β₂是微分增益；fal(·)為如下非線性函數(shù)：

式中，δ、a₁、a₂為正的控制器設(shè)計(jì)參數(shù)；

所述的非線性狀態(tài)誤差反饋控制律被設(shè)計(jì)為船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)位姿誤差向量信號(hào)和速度向量信號(hào)估計(jì)的非線性組合(5)，能有效消除船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)際位姿與期望位姿之間誤差；

δ、a₁、a₂取經(jīng)驗(yàn)值：δ＝0.01，a₁＝0.5，a₂＝0.25；參數(shù)β₁、β₂具有較為明確的物理意義，其整定過程如下：

C1、首先取微分增益β₂＝0，即去掉微分作用，然后對(duì)船載三自由度穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定控制進(jìn)行仿真試驗(yàn)；并逐漸增大比例增益β₁，直到仿真曲線達(dá)到等幅振蕩狀態(tài)；

C2、記錄該等幅振蕩狀態(tài)下比例增益β₁的值，以及響應(yīng)曲線的振蕩周期T_m，取β₂＝0.125T_m；如果仿真結(jié)果表明船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)際位姿與期望位姿之間誤差被控制在容許的范圍內(nèi)，則完成β₁、β₂的整定；否則，返回步驟C1，重新整定參數(shù)，直到船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)際位姿與期望位姿之間誤差達(dá)到容許的范圍為止；

D、設(shè)計(jì)擾動(dòng)補(bǔ)償控制律：

擾動(dòng)補(bǔ)償控制律采用前饋方式，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的總擾動(dòng)估計(jì)z₃去實(shí)時(shí)補(bǔ)償船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)存在的動(dòng)態(tài)不確定及風(fēng)浪引起的船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)造成的擾動(dòng)不確定；

E、綜合非線性狀態(tài)誤差反饋控制律u₀和擾動(dòng)補(bǔ)償控制律u₁得到船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制輸入u：

控制輸入u使船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的姿態(tài)在慣性空間中保持一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)。