[发明专利]一种基于时延估计的水下运载器终端滑模控制方法

摘要

本发明公开一种基于时延估计的水下运载器终端滑模控制方法。该方法采用时延估计技术来估算水下运载器闭环控制系统的集总不确定性，使得整个控制算法不依赖于系统模型。在此基础上，将一种快速非奇异终端滑模超平面和一种快速终端滑模趋近律相结合，推导出一种基于时延估计的水下运载器连续快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制方法。该方法不依赖于系统模型易于工程应用，且可以保证较高的控制精度和较快的系统响应，适用于复杂工况下水下运载器轨迹跟踪控制。

主权项

1.一种基于时延估计的水下运载器终端滑模控制方法，用以控制四自由度水下运载器，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立水下运载器运动学方程：其中η＝[x y z ψ]T为惯性坐标系下的水下运载器位姿信息向量,其中x为水下运载器惯性坐标系下前进运动量，y为水下运载器惯性坐标系下横移运动量，z为水下运载器惯性坐标系下升沉运动量,Ψ为水下运载器惯性坐标系下转艏方向的运动量，v＝[u v w r]T为运动坐标系下的速度向量，其中u为水下运载器运动坐标系下前进速度,v为水下运载器运动坐标系下横移速度,w为水下运载器运动坐标系下升沉速度,r为水下运载器运动坐标系下转艏方向的速度，J为坐标转换矩阵，具体可写为(2)建立水下运载器动力学方程：其中M是惯性矩阵，C(v)是水下运载器及包括附加质量的科氏力和向心力矩阵，D(v)是水动力阻尼矩阵，g(η)是广义重力向量，τd为集总外干扰，τ为水下运载器推进器广义输出，单位为N/N·m；(3)将步骤(2)中给出的水下运载器动力学方程在惯性坐标系下重新表述其中M_η＝J^‑TMJ^‑1,D_η＝J^‑TD(v)J^‑1,g_η＝J^‑Tg(η),τ′_d＝‑J^‑Tτ_d,τ′＝J^‑Tτ；(4)将步骤(3)中给出的动力学方程变形为以下形式其中为系统集总未知不确定性动态，是非常数对角参数矩阵；(5)定义轨迹跟踪误差及其导数为e＝η_d‑η,则设计的快速非奇异终端滑模超平面和快速终端滑模趋近律为：其中k1,k2,α,β,K1,K2,γ为控制参数矩阵/向量，并有k1i>0,k2i>0,K1i>0,K2i>0，1<βi<2,αi>βi,0<γ1＝…＝γn<1,i＝1～4；(6)基于步骤(5)所述的滑模超平面和趋近律，得到控制算法为：其中为H(v,η,τ′_d)的估计值；可采用时延估计技术得到即其中H_(t‑L)代表变量H在时刻(t‑L)处的值；τ′_(t‑L)代表变量τ′在时刻(t‑L)处的值，代表在时刻(t‑L)处的值；代表在时刻(t‑L)处的值，t表示t时刻，是时间参数；L为延时长度(7)结合步骤(6)中所得结果，得到所提基于时延估计的水下运载器连续快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制方法：(8)将步骤(7)中给出的惯性坐标系下的控制算法在运动坐标系下表述：其中为控制参数，选值范围为M_RB为固有惯性矩阵，M_A为水动力附加质量矩阵。