[发明专利]基于ADRC的船载三自由度并联稳定平台稳定控制方法

说明书

本发明公开了一种基于ADRC的船载三自由度并联稳定平台稳定控制方法，具有不依赖于船载三自由度并联稳定平台精确数学模型的优点，有效解决船载三自由度并联稳定平台存在的动态不确定、时常变化的风浪引起的船舶摇荡运动对平台造成的扰动不确定问题，且该方法控制方案设计简单，易于工程实现。本发明使用扩张状态观测器很好地估计船载三自由度并联稳定平台存在的动态不确定及扰动不确定，并用于抑制扰动，尤其对船载三自由度并联稳定平台这种存在不可预知的海洋环境扰动的大负载对象，具有良好的控制效果。扩张状态观测器良好的估计精度不仅有效提高了船载三自由度并联稳定平台稳定控制精度，且能节省传感器，降低控制系统成本。

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程领域，特别是一种基于ADRC(自抗扰控制技术)的船载三自由度(横摇、纵摇、垂荡)并联稳定平台稳定控制方法。

背景技术

海上船舶受海洋环境扰动会产生摇荡运动(横摇、艏摇、纵摇、横荡、纵荡、垂荡)，影响船上设备的正常工作。通常船舶的艏摇、横荡、纵荡三个自由度运动可以通过船舶动力定位系统进行补偿，而横摇、纵摇、垂荡运动则需要辅助系统进行补偿。船载三自由度(横摇、纵摇、垂荡)并联稳定平台能够隔离船舶的运动和姿态的影响，使船载三自由度并联稳定平台的上支撑面在海洋环境扰动影响下相对惯性空间保持相对稳定，保证支撑面上的船用设备正常平稳作业，就像在陆地上一样。船载三自由度并联稳定平台被广泛应用在现代军事和民用领域，并发挥着越来越重要的作用。

海洋环境复杂多变，船载并联平台明显地存在着动态不确定、时常变化的风浪引起的船舶摇荡运动对船载平台造成的扰动不确定问题，发明一种具有抗干扰能力和鲁棒性的稳定控制方法是十分必要的。江苏科技大学李莜凡的硕士论文“并联船载稳定平台的研究”(2013年)使用经典PID控制方法设计了三自由度船载三自由度并联稳定平台稳定控制器，并进行了仿真验证；江苏科技大学王建的硕士论文“并联型三自由度波浪补偿稳定平台关键技术研究”(2013年)使用模糊自适应PID控制方法设计三自由度船载三自由度并联稳定平台稳定控制器，来提高控制精度；燕山大学苏士如的硕士论文“并联四自由度舰载稳定平台特性及控制研究”(2014年)针对四自由度船载三自由度并联稳定平台设计了前馈PID稳定控制器，并通过simulink仿真验证了中海况下控制器的有效性；合肥工业大学王爱军发表于《工程设计学报》上的论文“基于MATLAB的3-RPS并联机构控制系统仿真”(2016，23(02)：172-180)针对并联三自由稳定平台，设计了滑模变结构稳定控制器(SMC)，并与PID控制器进行仿真比较，结果表明SMC控制器具有跟踪精度高、响应速度、稳态误差小等优点。然而，上述文献均未综合考虑船载三自由度并联稳定平台存在的动态不确定、时常变化的风浪引起的船舶摇荡运动对船载平台造成的扰动不确定问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种基于ADRC的船载三自由度并联稳定平台稳定控制方法，能够解决船载三自由度并联稳定平台存在的动态不确定、时常变化的风浪引起的船舶摇荡运动对平台造成的扰动不确定问题，提高抗干扰能力，增强系统鲁棒性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于ADRC的船载三自由度并联稳定平台稳定控制方法，所述的船载三自由度并联稳定平台的动力学模型用如下状态空间表达式描述：

式中，x₁是船载三自由度并联稳定平台的三维位姿信号向量，由横摇角α、纵摇角β和垂荡位移z组成；x₂是船载三自由度并联稳定平台的三维速度信号向量，由横摇角速度纵摇角速度和垂荡位移速度组成；u是三维控制输入向量，由船载三自由度并联稳定平台三个液压缸产生的驱动力τ₁、τ₂、τ₃组成；y＝x₁是三维输出向量，即船载三自由度并联稳定平台实际位姿向量；g(x)是3×3维控制增益矩阵，包括可逆标称增益矩阵和不确定增益矩阵Δg(x)，即f(x)是一个三维向量函数，表示船载三自由度并联稳定平台动态，包括船载三自由度并联稳定平台的标称动态和不确定动态Δf(x)，即