一种自主水下航行器动态抗饱和俯仰角控制方法

摘要

本发明提出一种自主水下航行器动态抗饱和俯仰角控制方法，方法中基于滑模控制设计了自适应律，在线估计系统参数及未知干扰的上界，不断地通过当前系统的运行状态与期望状态相比较，通过自适应律来改变控制器，使系统能够达到预期的性能指标。同时方法设计了抗饱和动态补偿器，用辅助变量w来减缓输入饱和对系统的影响，以保证控制系统有良好的性能。

主权项

一种自主水下航行器动态抗饱和俯仰角控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：忽略水下航行器俯仰运动和横滚运动的耦合，建立水下航行器俯仰运动模型：$\stackrel{·}{\theta }={\omega }_z$${\stackrel{·}{\omega }}_z=c_1{\omega }_z+c_2\alpha +c_{3}u+D$$\stackrel{·}{\alpha }=c_4{\omega }_z+c_5\alpha +c_{6}u$y＝θ其中θ是俯仰角，ω_z是俯仰角速度，α是攻角，u是控制输入，D表示非线性项和外界未知干扰，y是输出，c₁，c₂是未知的需要估计的模型参数，c₃是已知的控制增益，c₄，c₅，c₆为设定的模型参数；控制输入u取决于控制器输出的舵角δ_e：$u=sat\left({\delta }_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}{u}_m,& {\delta }_e>u_m\\ {\delta }_e,& -u_m<{\delta }_e<u_m\\ -u_m,& {\delta }_e<u_m\end{array}\right.$其中u_m为控制器幅值；步骤2：对步骤1设计得到的水下航行器俯仰运动模型，采用以下控制律和自适应律进行控制；所述控制律为：${\delta }_e=\frac{1}{c_3}[-\tau (s-w)-k*sgn\left(s\right)-{\hat{h}}^T\phi -\hat{\rho }*sgn\left(s\right)+{\stackrel{··}{\theta }}_d-\lambda ({\omega }_z-{\stackrel{·}{\theta }}_d)]$其中s为滑模面，取e为俯仰角误差e＝θ‑θ_d，θ_d为期望俯仰角，λ为满足Hurwitz条件的正常数；sgn(s)表示s的符号；参数τ和k由设定的滑模面s的趋近律得到，滑模面s的趋近律为指数趋近律且τ＞0,k＞0；w为设计的动态抗饱和补偿器状态，设计的动态抗饱和补偿器为：$\stackrel{·}{w}=\left\{\begin{array}{cc}-\bar{k}w-{\frac{\left|c_3{s}^T\Delta u\right|+\frac{1}{2}\left(\Delta u\right)}{\left|\right|w|{|}^2}}^{2}w+\Delta u,& \left|\right|w\left|\right|\ge i\\ 0,& \left|\right|w\left|\right|<i\end{array}\right.$其中Δu＝u‑δ_e，s^T表示s的转置，表示给定的抗饱和参数，且满足||·||表示范数，ι取值范围为[0,0.001]；所述自适应律为：$\stackrel{·}{\hat{h}}=-{ϵ}_1\hat{h}+k_1\phi s$$\stackrel{·}{\hat{\rho }}=-{ϵ}_2\hat{\rho }+k_2\left|s\right|$其中，h^T＝[c₁,c₂]，φ＝[ω_z,α]^T，为h的估计值；ρ为非线性项和外界未知干扰D的上界，为ρ的估计值，ε₁,ε₂,k₁,k₂均为给定的自适应律设计参数。