[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(kāi)（公告）號(hào): CN109739248B
• 公開(kāi)（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

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于ADRC的船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制方法，具有不依賴于船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)精確數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)，有效解決船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)存在的動(dòng)態(tài)不確定、時(shí)常變化的風(fēng)浪引起的船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)造成的擾動(dòng)不確定問(wèn)題，且該方法控制方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明使用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器很好地估計(jì)船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)存在的動(dòng)態(tài)不確定及擾動(dòng)不確定，并用于抑制擾動(dòng)，尤其對(duì)船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)這種存在不可預(yù)知的海洋環(huán)境擾動(dòng)的大負(fù)載對(duì)象，具有良好的控制效果。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器良好的估計(jì)精度不僅有效提高了船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制精度，且能節(jié)省傳感器，降低控制系統(tǒng)成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶與海洋工程領(lǐng)域，特別是一種基于ADRC(自抗擾控制技術(shù))的船載三自由度(橫搖、縱搖、垂蕩)并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制方法。

背景技術(shù)

海上船舶受海洋環(huán)境擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生搖蕩運(yùn)動(dòng)(橫搖、艏搖、縱搖、橫蕩、縱蕩、垂蕩)，影響船上設(shè)備的正常工作。通常船舶的艏搖、橫蕩、縱蕩三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，而橫搖、縱搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)則需要輔助系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。船載三自由度(橫搖、縱搖、垂蕩)并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)能夠隔離船舶的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的影響，使船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的上支撐面在海洋環(huán)境擾動(dòng)影響下相對(duì)慣性空間保持相對(duì)穩(wěn)定，保證支撐面上的船用設(shè)備正常平穩(wěn)作業(yè)，就像在陸地上一樣。船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

海洋環(huán)境復(fù)雜多變，船載并聯(lián)平臺(tái)明顯地存在著動(dòng)態(tài)不確定、時(shí)常變化的風(fēng)浪引起的船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)船載平臺(tái)造成的擾動(dòng)不確定問(wèn)題，發(fā)明一種具有抗干擾能力和魯棒性的穩(wěn)定控制方法是十分必要的。江蘇科技大學(xué)李莜凡的碩士論文“并聯(lián)船載穩(wěn)定平臺(tái)的研究”(2013年)使用經(jīng)典PID控制方法設(shè)計(jì)了三自由度船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制器，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；江蘇科技大學(xué)王建的碩士論文“并聯(lián)型三自由度波浪補(bǔ)償穩(wěn)定平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013年)使用模糊自適應(yīng)PID控制方法設(shè)計(jì)三自由度船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制器，來(lái)提高控制精度；燕山大學(xué)蘇士如的碩士論文“并聯(lián)四自由度艦載穩(wěn)定平臺(tái)特性及控制研究”(2014年)針對(duì)四自由度船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)了前饋PID穩(wěn)定控制器，并通過(guò)simulink仿真驗(yàn)證了中海況下控制器的有效性；合肥工業(yè)大學(xué)王愛(ài)軍發(fā)表于《工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)》上的論文“基于MATLAB的3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)仿真”(2016，23(02)：172-180)針對(duì)并聯(lián)三自由穩(wěn)定平臺(tái)，設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制器(SMC)，并與PID控制器進(jìn)行仿真比較，結(jié)果表明SMC控制器具有跟蹤精度高、響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。然而，上述文獻(xiàn)均未綜合考慮船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)存在的動(dòng)態(tài)不確定、時(shí)常變化的風(fēng)浪引起的船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)船載平臺(tái)造成的擾動(dòng)不確定問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明要提出一種基于ADRC的船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定控制方法，能夠解決船載三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)存在的動(dòng)態(tài)不確定、時(shí)常變化的風(fēng)浪引起的船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)造成的擾動(dòng)不確定問(wèn)題，提高抗干擾能力，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：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，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?tīng)顟B(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