[發明專利]一種超空泡航行體自適應容錯控制方法

有效

• 申請號: 202010401858.4
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN111666628B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 白瑜亮;王小剛;榮思遠;崔乃剛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;B63B1/38
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

本發明提供一種超空泡航行體自適應容錯控制方法。步驟1：設計超空泡航行體的數學模型；步驟2：通過步驟1的數學模型建立系統不確定性和執行機構故障的模型；步驟3：通過步驟2的模型設計自適應控制律。保證了在存在執行機構故障和不確定性的情況下航行體閉環控制系統的穩定性。

技術領域

本發明屬于的技術領域；具體涉及一種超空泡航行體自適應容錯控制方法。

背景技術

高速水下航行器利用超空泡技術來減少其表面摩擦，從而使其能夠以高達200m/s的速度行駛；然而，由于不確定性和執行機構故障可能會導致與參考軌跡的較大偏差，因此對于控制系統設計而言，以很高的速度行駛可能會遇到挑戰；現有超空泡航行體的容錯控制問題，航行體可能發生輸入飽和和增益故障，即執行機構的飽和及空泡包裹執行機構導致的效率低下的問題。

發明內容

針對超空泡航行體設計了一種自適應反步跟蹤控制律，該控制律對執行機構故障，參數以及環境的不確定性和執行機構飽和極限具有魯棒性，使用李雅普諾夫(Lyapunov)函數推導并獲得基于反步法的自適應容錯控制律，同時保證了在存在執行機構故障和不確定性的情況下航行體閉環控制系統的穩定性。

本發明通過以下技術方案實現：

一種超空泡航行體自適應容錯控制方法，所述控制方法具有以下步驟：

步驟1：設計超空泡航行體的數學模型；

步驟2：通過步驟1的數學模型建立系統不確定性和執行機構故障的模型；

步驟3：通過步驟2的模型設計自適應控制律。

進一步的，所述步驟1具體包括以下步驟：

步驟1.1：建立慣性參考系O_eX_eY_eZ_e，其原點為海平面；建立航行體固定的坐標系O_bx_by_bz_b，航行體坐標系的原點位于空化器的壓力中心，x_b軸指向航行體的對稱軸，y_b軸指向航行體右側，z_b軸滿足右手定則指向下；

步驟1.2：根據步驟1.1的坐標系，假設沿x_b軸的速度V恒定，且航行體為剛體，其水下的運動學及動力學方程為，

式中，z是航行體在慣性坐標系中沿Z_e方向的位置，w是y_b軸的角速度，θ是俯仰角，q是俯仰角速度，M是航行體質量，x_cg是航行體沿x_b軸的重心位置，I_y是y_b軸的轉動慣量，F_z,g,F_z,fin,F_z,cav,F_z,plane為重力、尾舵所受的力、空化器所受的力和滑行力在z_b-軸的分量；M_z,g,M_z,fin,M_z,plane為沿z_b-軸作用的重力矩、尾舵所受的力矩和滑行力矩的分量；

步驟1.3：且步驟1.2中M公式、x_cg公式和I_y公式分別為，

其中，m是密度比ρ_b/ρ，ρ_b是航行體的密度，ρ是流體的密度，L是航行體的長度，R是航行體圓柱段的半徑；