[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于ADRC的船载三自由度并联稳定平台稳定控制方法，其特征在于：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)，即考虑海中的船舶会受到海洋环境扰动的影响，从而产生船舶摇荡运动，用一个三维向量ζ(t)表示船舶摇荡运动对船载三自由度并联稳定平台造成的不确定扰动，则船载三自由度并联稳定平台的动力学模型(1)进一步表示为如下形式：所述的方法包括以下步骤：A、将船载三自由度并联稳定平台的动力学模型(2)中存在的不确定项Δf(x)、Δg(x)·u以及ζ(t)视为一个总扰动向量d(x)，即d(x)＝Δf(x)+Δg(x)·u+ζ(t)，并将这个总扰动向量扩张成船载三自由度并联稳定平台一个新的三维状态向量x₃，记作x₃＝d(x)，并记w(t)表示总扰动向量的变化率，是未知的有界向量函数；则船载三自由度并联稳定平台的动力学模型(2)扩张为：B、扩张状态观测器被设计如下：式中，e＝z₁‑y；z₁、z₂分别是船载三自由度并联稳定平台状态向量x₁、x₂的估计；z₃是总扰动向量x₃的估计；β₀₁、β₀₂、β₀₃是扩张状态观测器的设计参数；扩张状态观测器利用船载三自由度并联稳定平台的控制输入向量u和实际位姿输出向量y获得船载三自由度并联稳定平台状态向量的估计z₁、z₂及总扰动向量的估计z₃；设计参数β₀₁、β₀₂、β₀₃的选定分为三步进行：B1、所设计的扩张状态观测器为类龙伯格非线性扩张状态观测器，因此，首先假设扩张状态观测器(4)中的g_i(e)＝e，则扩张状态观测器(4)变成如下形式：采用极点配置的方法，进行扩张状态观测器参数β₀₁、β₀₂、β₀₃的初始设计；将式(5)减去式(3)得到扩张状态观测器的误差动态方程：式中：z＝[z₁ z₂ z₃]^Tx＝[x₁ x₂ x₃]^TA^*＝A‑LCC＝[1 0 0]B2、设扩张状态观测器误差动态方程(6)中的控制矩阵A^*的期望特征值为p₁、p₂、p₃，则由下式：确定扩张状态观测器设计参数β₀₁、β₀₂、β₀₃的值：B3、在所确定的设计参数β₀₁、β₀₂、β₀₃下对扩张状态观测器进行仿真试验，若仿真结果表明z₁、z₂、z₃已经准确估计船载三自由度并联稳定平台的状态向量x₁、x₂及扩张状态向量x₃，则设计参数β₀₁、β₀₂、β₀₃选定为所确定的值；否则，返回步骤B2，重新设定控制矩阵A^*的期望特征值，重新确定设计参数β₀₁、β₀₂、β₀₃，直到扩张状态观测器准确估计船载三自由度并联稳定平台的状态向量x₁、x₂及总扰动向量x₃为止；C、非线性状态误差反馈控制律被设计如下：式中，e₁＝y_d‑z₁，e₂＝‑z₂；y_d是船载三自由度并联稳定平台的期望位姿信号向量；β₁是比例增益，β₂是微分增益；fal(·)为如下非线性函数：式中，δ、a₁、a₂为正的控制器设计参数；所述的非线性状态误差反馈控制律被设计为船载三自由度并联稳定平台位姿误差向量信号和速度向量信号估计的非线性组合(5)，能有效消除船载三自由度并联稳定平台实际位姿与期望位姿之间误差；δ、a₁、a₂取经验值：δ＝0.01，a₁＝0.5，a₂＝0.25；参数β₁、β₂具有较为明确的物理意义，其整定过程如下：C1、首先取微分增益β₂＝0，即去掉微分作用，比例增益β₁取为较小值，然后对船载三自由度稳定平台的稳定控制进行仿真试验；并逐渐增大比例增益β₁，直到仿真曲线达到等幅振荡状态；C2、记录该等幅振荡状态下比例增益β₁的值，以及响应曲线的振荡周期T_m，取β₂＝0.125T_m；如果仿真结果表明船载三自由度并联稳定平台实际位姿与期望位姿之间误差被控制在容许的范围内，则完成β₁、β₂的整定；否则，返回步骤C1，重新整定参数，直到船载三自由度并联稳定平台实际位姿与期望位姿之间误差达到容许的范围为止；D、设计扰动补偿控制律：扰动补偿控制律采用前馈方式，利用扩张状态观测器的总扰动估计z₃去实时补偿船载三自由度并联稳定平台存在的动态不确定及风浪引起的船舶摇荡运动对平台造成的扰动不确定；E、综合非线性状态误差反馈控制律u₀和扰动补偿控制律u₁得到船载三自由度并联稳定平台稳定控制输入u：控制输入u使船载三自由度并联稳定平台的姿态在惯性空间中保持一个相对平稳的状态。