一种基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法，包括：构建一个推进器故障模型和扰动的UMV状态时滞系统；针对构建的UMV状态时滞系统，设计滑模面；基于设计的滑模面，设计滑模容错控制器。基于设计的滑模容错控制器，设计自适应机制，完成自适应滑模容错控制策略。本发明专利技术的技术方案基于滑模技术，采用容错控制与自适应机制相结合的方法，不仅克服了状态时滞和各种推进器故障对UMV的负面影响，还可以在线估计各种未知参数。

An adaptive fault-tolerant control method for umv state delay system based on sliding mode technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法
本专利技术涉及无人船容错控制
，具体而言，尤其涉及一种基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法。
技术介绍
UMV是一个通用的术语，包括unmanned/autonomousunderwatervehicle(UUV/AUV)和unmannedsurfacevessel(USV)。随着近几十年海洋开发的快速发展，对UMV的运动控制研究吸引了大量国内外的研究者。主要的研究领域包括：动力定位、航向控制、轨迹跟踪、目标跟踪等；主要的技术方法涉及：滑模控制、反步法、事件触发、神经网络等。在复杂的海洋条件下，研究状态时滞和推进器故障对UMV的影响，对高精度且准确地控制UMV(减小偏航角误差)具有很高的实际意义。针对UMV运行过程中存在的状态时滞、推进器故障和海洋扰动等问题，存在很多已有的结果。文献《Faultmonitoringandre-configurablecontrolforashippropulsionplant》(InternationalJournalofAdaptiveControlandSignalProcessing，1998，vol.12no.8)开创性地提出了一种容错控制方法，该技术通过故障检测与诊断模块，来提高船舶工作的可靠性。文献《Finite-timetrajectorytrackingfault-tolerantcontrolforsurfacevesselbasedontime-varyingslidingmode》(IEEEAccess，2017，vol.6)通过引入径向基函数，并将自适应控制技术与滑模控制相结合，设计了一个新的鲁棒容错跟踪控制器，有效地解决了在存在参数不确定性、额外扰动和推进器故障时的轨迹跟踪问题。基于网络控制技术，文献《Network-basedmodellinganddynamicoutputfeedbackcontrolforunmannedmarinevehiclesinnetworkenvironments》(Automatica，2018，vol.91)为网络环境下的UMV设计了一个动态输出反馈控制器，解决了网络通信中存在的丢包和时延问题，从而减小了偏航角误差和幅值。文献《FaulttolerantcontrolofUMVbasedonslidingmodeoutputfeedback》(AppliedMathematicsandComputation，2019，vol.359)设计了一个鲁棒滑模容错输出反馈控制器，该控制器的设计分为两步：一步是基于矩阵的满秩分解技术，采用矩阵不等式的方法，设计滑模面；另一步是设计输出反馈控制器，补偿各种推进器故障(失效、中断，时变卡死故障)。当UMV执行任务时，由于复杂的海洋环境，不可避免地会遭受各种推进器故障。而且因为UMV与陆地控制台之间通过网络进行连接，状态时滞现象也时常发生。然而，已有技术考虑的情况单一，不能很好地解决这些问题。
技术实现思路
为了补偿推进器故障和鲁棒状态时滞，本专利技术基于滑模控制技术，提出了一种UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法，包括如下步骤：S1、构建一个包含推进器故障型和扰动的UMV状态时滞系统；S2、针对步骤S1中构建的UMV状态时滞系统，设计滑模面；S3、基于步骤S2设计的滑模面，设计滑模容错控制器；S4、基于步骤S3设计的滑模容错控制器，设计自适应机制，完成自适应滑模容错控制策略。进一步地，所述的步骤S1具体为：S11、定义状态误差为则当偏航角足够小时，UMV系统为在状态误差矩阵的变换下，变为UMV状态误差系统其中，η(t)表示位置向量；ν(t)表示速度向量；φF(t)表示推力矢量；ηref和νref分别表示位置和速度误差；表示扰动；S12、建立一个统一的推进器故障模型(包括中断、时变卡死和失效故障)，具体为：φF(t)＝αφ(t)+βφs(t)S13、考虑到UMV和远地控制台之间依靠网络进行连接，状态时滞现象时常发生，则建立包含状态时滞和推进器故障的UMV状态时滞系统，所述的UMV状态时滞系统具体为：其中，Td是已知维数的矩阵；d表示时延常数；t0表示初始时刻；e0表示初始状态。进一步地，所述的步骤S2具体为：S21、对输入矩阵进行满秩分解：L＝LvN其中，Lv∈R6×3；N∈R3×6；S22、设计滑模面，具体如下：其中，M是待设计的参数矩阵，满足以下矩阵不等式：进一步地，所述滑模容错控制器具体为：其中，κ＝XM-1；μ0＝1/μ；λN＝λmin(NNT)；和分别是μ0、β和的估计值；ε是一个小的正常数。进一步地，所述自适应机制具体为：其中，γ、γ1i和γ2i是自适应增益常数；和的初值分别为μ00、和βi0；定义由于和都为0，得到：进一步地，所述步骤S4之后还包括：S5、对采用基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方案的推进器故障模型、扰动的UMV状态时滞系统、滑模面以及滑模容错控制器进行仿真验证研究，从而验证有效性。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术比较全面地考虑了实际UMV系统可能存在的诸如状态时滞、推进器故障和外部海洋扰动等各种因素，对复杂的UMV系统达到了比较好的控制效果，具有很高的实用性。2、本专利技术基于滑模技术，采用容错控制与自适应机制相结合的方法，不仅克服了状态时滞和各种推进器故障对UMV的负面影响，还可以在线估计各种未知参数。3、本专利技术考虑的推进器的故障类型比较全面，包括推进器失效、时变卡死和中断故障，进而本专利技术设计的容错策略更具有实际意义。基于上述理由本专利技术可在无人船容错控制等领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的UMV时滞系统自适应滑模容错控制设计示意图。图2为本专利技术实施例提供的UMV时滞系统的状态误差响应对比曲线图。图3为本专利技术实施例提供的UMV时滞系统的推进器响应曲线图。图4为本专利技术实施例提供的UMV时滞系统的滑模面响应对比曲线图。图5为本专利技术实施例提供的UMV时滞系统中的估计值响应曲线图。图6为本专利技术实施例提供的UMV时滞系统中β的估计值响应曲线图。图7为本专利技术实施例提供的UMV时滞系统中μ0的估计值响应曲线图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建一个包含推进器故障和扰动的UMV状态时滞系统；S2、针对步骤S1中构建的UMV状态时滞系统，设计滑模面；S3、基于步骤S2设计的滑模面，设计滑模容错控制器。S4、基于步骤S3设计的滑模容错控制器，设计自适应机制，完成自适应滑模容错控制策略。

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建一个包含推进器故障和扰动的UMV状态时滞系统；S2、针对步骤S1中构建的UMV状态时滞系统，设计滑模面；S3、基于步骤S2设计的滑模面，设计滑模容错控制器。S4、基于步骤S3设计的滑模容错控制器，设计自适应机制，完成自适应滑模容错控制策略。2.根据权利要求1所述的基于滑模技术的UMV状态时滞系统的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：S11、定义状态误差为则当偏航角足够小时，UMV系统在状态误差矩阵的变换下，变为UMV状态误差系统其中，η(t)表示位置向量；ν(t)表示速度向量；φF(t)表示推力矢量；ηref和νref分别表示位置和速度误差；表示扰动；S12、建立一个统一的推进器故障模型(包括中断、时变卡死和失效故障)，具体为：φF(t)＝αφ(t)+βφs(t)S13、考虑到UMV和远地控制台之间依靠网络进行连接，状态时滞现象时常发生，则建立包含状态时滞和推进器故障的UMV状态时滞系统，所述的UMV状态时滞系统具体为：其中，Td是已知维数的矩阵；d表示时延常数；t0表示初始时刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝立颖，张赫，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21