一种用于浮空器的嵌套饱和控制方法及定点跟踪控制方法技术

本发明专利技术属于自动控制的技术领域，公开了一种用于浮空器的嵌套饱和控制方法，包括步骤一、以连续可微的标准饱和函数σ(r)为基础，建立改进的饱和函数μi(s)，i∈1,n，进而建立n阶嵌套控制律函数；步骤二、建立受控量的二阶积分链系统，取二阶嵌套控制律函数和其对应的改进的饱和函数μ2(s)，以二阶嵌套控制律函数的一阶微分的上限作为受控量对应执行器的输出量变化速率的上限，以改进的饱和函数μ2(s)的上限作为受控量对应执行器的输出量的上限，计算所述改进的饱和函数μ2(s)的线性域大小，进而建立受控量和对应执行器的输出量之间的二阶嵌套控制律函数；步骤三、根据受控量和对应执行器的输出量之间的二阶嵌套控制律函数，通过控制再分配，控制执行器的输出量，完成对受控量的控制。

A nested saturation control method and fixed-point tracking control method for aerostat

The invention belongs to the technical field of automatic control, and discloses a nested saturation control method for aerostats, which includes steps 1. Based on the continuous differentiable standard saturation function_(r), an improved saturation function_(s), I < 1, n are established, and then an n-order nested control law function is established. Step 2: A second-order integral chain system of controlled variables is established, and the second-order nested control law function and sum of the second-order nested control law functions are obtained. The corresponding improved saturation function 2 (s) takes the upper limit of the first-order differential of the second-order nested control law function as the upper limit of the output change rate of the controlled variable corresponding to the actuator, and the upper limit of the improved saturation function 2 (s) as the upper limit of the output of the controlled variable corresponding to the actuator. The linear domain size of the improved saturation function 2 (s) is calculated, and then the controlled variable and corresponding execution are established. The second-order nested control law function between the output of the actuator and the output of the corresponding actuator. Step 3: According to the second-order nested control law function between the controlled quantity and the output of the corresponding actuator, the output of the actuator is controlled by controlling redistribution to complete the control of the controlled quantity.

【技术实现步骤摘要】
一种用于浮空器的嵌套饱和控制方法及定点跟踪控制方法
本专利技术属于自动控制的
，具体涉及一种用于浮空器的嵌套饱和控制方法、定点跟踪的控制方法及控制系统。
技术介绍
针对一类具有输入速率和幅值约束的多螺旋桨矢量推力浮空器实现稳定的位置跟踪和动态定位。所研究对象为扁平外形的多螺旋桨矢量推力浮空器，无空气舵面，配备4个轴对称分布的螺旋桨，且具有空间全方位运动能力。由于能源和重量约束，多螺旋桨组合飞行器为小推重比配置，推重比约为1/30，因此，螺旋桨输出的推力幅值大小和变化速率有严格的约束。该浮空器具有大惯性大体积特点，又由于螺旋桨执行能力有限，运动控制过程中很容易发生螺旋桨推力幅值和速率的饱和。进行控制系统设计时，需要考虑执行器约束，通过有约束限制的控制系统设计，避免在极限飞行情况下，飞行器由于执行器的饱和而失去自主控制能力，保证了飞行器的飞行安全。刘芬,陈丽,段登平.多螺旋桨浮空器的抗饱和控制器设计.上海交通大学学报,2017,51(2):157对该类浮空器考虑了执行机构受到幅值约束以及约束不对称的问题，在抗饱和统一框架下基于线性矩阵不等式(LMI)进行抗饱和补偿器的设计；祝明,余帅先,刘丽莎,等.一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法:中国专利,201410486563.2015-01-28针对四桨平流层飞艇提出了基于模型预测控制的容错控制器，利用数值优化方法考虑执行机构的约束；HanD,WangXL,ChenL,etal.Adaptivebacksteppingcontrolforamulti-vectoredthruststratosphericairshipwiththrustsaturationinwind.ProcInstMechEngPartGJAerospEng,2016,230(1):45基于反步法，通过控制器的自适应项调节避免执行器的幅值饱和，该方法需要大量的在线计算来得到自适应项。以上研究均只考虑执行器幅值约束，没有考虑速率约束，且控制器求解方法为数值计算方法，不能显式表示出控制器输出量和执行器物理约束的关系。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于浮空器的嵌套饱和控制方法、定点跟踪的控制方法及控制系统，解决了现有浮空器控制系统仅能对执行器输出量的幅值约束，不能进行输出量变化速率约束等问题。本专利技术可通过以下技术方案实现：一种用于浮空器的嵌套饱和控制方法，包括以下步骤：步骤一、以连续可微的标准饱和函数σ(r)为基础，建立改进的饱和函数μi(s)，i∈1,n，进而建立n阶嵌套控制律函数；步骤二、建立受控量的二阶积分链系统，取二阶嵌套控制律函数和其对应的改进的饱和函数μ2(s)，以所述二阶嵌套控制律函数的一阶微分的上限作为受控量对应执行器的输出量变化速率的上限，以所述改进的饱和函数μ2(s)的上限作为受控量对应执行器的输出量的上限，计算所述改进的饱和函数μ2(s)的线性域大小，进而建立受控量和对应执行器的输出量之间的二阶嵌套控制律函数；步骤三、根据所述受控量和对应执行器的输出量之间的二阶嵌套控制律函数，通过控制再分配，控制执行器的输出量，完成对受控量的控制。进一步，所述标准饱和函数的表达式如下其中，Lσ表示σ(r)的线性域，ασ表示在σ(r)线性域内的斜率，Sσ表示σ(r)的非饱和域，H1(r)，H2(r)表示σ(r)的非饱和域内非线性函数部分，σmax表示标准饱和函数σ(r)的饱和值；所述改进的饱和函数的表达式如下且其中，表示函数μ(s)的幅值约束，表示函数μ(s)的线性域，表示函数μ(s)线性域内的斜率，表示函数μ(s)的非饱和域；所述n阶嵌套控制律函数的表达式设置为U＝-μn(yn+μn-1(yn-1+…+μ1(y1)))。进一步，所述二阶嵌套控制律函数的一阶微分的上限的表达式如下其中，A2,A3,B2,B3,C2,C3,D2,D3表示常数参数，其表达式如下所示令等于受控量对应执行器的输出量的上限，R1等于受控量对应执行器的输出量变化速率的上限，计算得到改进的饱和函数μ2(s)的线性域进一步，所述改进的饱和函数μi(s)的多阶微分存在、连续且有上限，所述受控量设置为浮空器的前向速度或者侧向速度，对应的执行器设置为螺旋桨，其输出量设置为各个螺旋桨提供的推力在X轴或者Y轴方向合力。一种上文所述的用于浮空器的嵌套饱和控制方法的用于多矢量螺旋桨组合浮空器定点跟踪的控制方法，包括以下步骤：步骤一，计算目标位置和浮空器的当前体心位置之间的距离D；步骤二、建立前向速度、距离D在x轴的分量和螺旋桨的矢量推力在x轴方向合力之间的前向嵌套饱和控制律函数，以及侧向速度、距离D在y轴的分量和螺旋桨的矢量推力在y轴方向合力之间的侧向嵌套饱和控制律函数；步骤三、根据前向和侧向嵌套饱和控制律函数，计算到达目标位置所需的各个螺旋桨的矢量推力和角度。进一步，所述步骤二包括以下步骤：步骤Ⅰ、建立前向速度和侧向速度的二阶积分链系统，如下所示其中，x1表示前向速度u或者侧向速度v，U＝-μ2(y2+μ1(y1))表示二阶嵌套饱和控制律函数，表示y1,y2与x1,x2之间的状态变换，表示函数μ2(s)线性域内的斜率；步骤Ⅱ、利用如权利要求3所述的方法，标准饱和函数的具体表达式如下其中，取σmax＝2，Lσ＝1，ασ＝1，获得如下所述的二阶嵌套控制律函数的一阶微分的上限的表达式，再令其等于各个螺旋桨提供的推力在x轴和y轴方向合力变化速率的上限，计算出对应改进的饱和函数μ2(s)的线性域步骤Ⅲ、根据计算出的改进的饱和函数μ2(s)的线性域进而建立前向速度、距离D在X轴的分量和螺旋桨的矢量推力在x轴方向合力之间的前向嵌套饱和控制律函数，以及侧向速度、距离D在y轴的分量和螺旋桨的矢量推力在Y轴方向合力之间的侧向嵌套饱和控制律函数。进一步，其特征在于：步骤ⅰ、建立仅考虑平面运动的浮空器的三自由度动力学方程如下；其中，u,v,r表示浮空器在机体坐标系下沿x轴y轴的飞行速度以及偏航角速度；表示u,v,r的微分，m表示浮空器质量；Iz表示浮空器绕z轴转动惯量；m11,m22分别表示前向运动和侧向运动的附加质量，m33表示绕z轴的附加转动惯量，FAx,FAy,NA表示浮空器受到沿x轴、y轴和绕z轴的气动力和力矩，FTx,FTy,NT表示螺旋桨在x、y方向的合推力和绕z轴的合力矩，FIx,FIy,NI分别表示沿x轴、y轴和绕z轴的科式力，从而得到FTx,FTy,NT与单个螺旋桨的矢量推力和角度关系式如下其中，rp表示每个螺旋桨在机体坐标系下相对于浮空器体心的安装位置，Fti表示单个螺旋桨的矢量推力，μti表示单个螺旋桨的矢量推力的角度，i＝1,2,3,4；步骤ⅱ、利用前向嵌套饱和控制律函数以及侧向嵌套饱和控制律函数，以及FTx,FTy,NT与单个螺旋桨的矢量推力和转角关系式，计算到达目标位置所需的单个螺旋桨的矢量推力Fti及角度μti。一种基于上文所述的用于多矢量螺旋桨组合浮空器定点跟踪的控制方法的控制系统，包括距离比较模块，所述距离比较模块与前向合力生成模块和侧向合力生成模块相连，所述前向合力生成模块和侧向合力生成模块与控制分配模块相连，所述控制分配模块与浮空器的主控制器相连，所述主控制器通过状态测量模块与距离比较模块相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于浮空器的嵌套饱和控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、以连续可微的标准饱和函数σ(r)为基础，建立改进的饱和函数μi(s)，i∈1,n，进而建立n阶嵌套控制律函数；步骤二、建立受控量的二阶积分链系统，取二阶嵌套控制律函数和其对应的改进的饱和函数μ2(s)，以所述二阶嵌套控制律函数的一阶微分的上限作为受控量对应执行器的输出量变化速率的上限，以所述改进的饱和函数μ2(s)的上限作为受控量对应执行器的输出量的上限，计算所述改进的饱和函数μ2(s)的线性域大小，进而建立受控量和对应执行器的输出量之间的二阶嵌套控制律函数；步骤三、根据所述受控量和对应执行器的输出量之间的二阶嵌套控制律函数，通过控制再分配，控制执行器的输出量，完成对受控量的控制。

【技术特征摘要】
1.一种用于浮空器的嵌套饱和控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、以连续可微的标准饱和函数σ(r)为基础，建立改进的饱和函数μi(s)，i∈1,n，进而建立n阶嵌套控制律函数；步骤二、建立受控量的二阶积分链系统，取二阶嵌套控制律函数和其对应的改进的饱和函数μ2(s)，以所述二阶嵌套控制律函数的一阶微分的上限作为受控量对应执行器的输出量变化速率的上限，以所述改进的饱和函数μ2(s)的上限作为受控量对应执行器的输出量的上限，计算所述改进的饱和函数μ2(s)的线性域大小，进而建立受控量和对应执行器的输出量之间的二阶嵌套控制律函数；步骤三、根据所述受控量和对应执行器的输出量之间的二阶嵌套控制律函数，通过控制再分配，控制执行器的输出量，完成对受控量的控制。2.根据权利要求1所述的用于浮空器的嵌套饱和控制方法，其特征在于：所述标准饱和函数的表达式如下其中，Lσ表示σ(r)的线性域，ασ表示在σ(r)线性域内的斜率，Sσ表示σ(r)的非饱和域，H1(r)，H2(r)表示σ(r)的非饱和域内非线性函数部分，σmax表示标准饱和函数σ(r)的饱和值；所述改进的饱和函数的表达式如下且其中，表示函数μ(s)的幅值约束，表示函数μ(s)的线性域，表示函数μ(s)线性域内的斜率，表示函数μ(s)的非饱和域；所述n阶嵌套控制律函数的表达式设置为U＝-μn(yn+μn-1(yn-1+…+μ1(y1)))。3.根据权利要求2所述的用于浮空器的嵌套饱和控制方法，其特征在于：所述二阶嵌套控制律函数的一阶微分的上限的表达式如下其中，A2,A3,B2,B3,C2,C3,D2,D3表示常数参数，其表达式如下所示令等于受控量对应执行器的输出量的上限，R1等于受控量对应执行器的输出量变化速率的上限，计算得到改进的饱和函数μ2(s)的线性域4.根据权利要求1所述的用于浮空器的嵌套饱和控制方法，其特征在于：所述受控量设置为浮空器的前向速度或者侧向速度，对应的执行器设置为螺旋桨，其输出量设置为各个螺旋桨提供的推力在X轴或者Y轴方向合力。5.一种权利要求1所述的用于浮空器的嵌套饱和控制方法的用于多矢量螺旋桨组合浮空器定点跟踪的控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，计算目标位置和浮空器的当前体心位置之间的距离D；步骤二、建立前向速度、距离D在x轴的分量和螺旋桨的矢量推力在x轴方向合力之间的前向嵌套饱和控制律函数，以及侧向速度、距离D在y轴的分量和螺旋桨的矢量推力在y轴方向合力之间的侧向嵌套饱和控制律函数；步骤三、根据前向和侧向嵌套饱和控制律函数，计算到达目标位置所需的各个螺旋桨的矢量推力和角度。6.根据权利要求5所述的用于多矢量螺旋桨组合浮空器定点跟踪的控制方法，其特征在于所述步骤二包括以下步骤：步骤Ⅰ、建立前向速度和侧向速度的二阶积分链系统，如下所示其中，x1表示前向速度u或者侧向速度v，U＝-μ2(y2+μ1(y1))表示二阶嵌套饱和控制律函数，表示y1,y2与x1,x2之间的状态变换，表示函数μ2(s)线性域内的斜率；步骤Ⅱ、利用如权利要求3所述的方法，标准饱和函数的具体表达式如下其中，取σmax＝2，Lσ＝1，ασ＝1，获得如下所述的二阶嵌套控制律函数的一阶微分的上限的表达式，再令其等于各个螺旋桨提供的推力在x轴和y轴方向合力变化速率的上限，计算出对应改进的饱和函数μ2(s)的线性域步骤Ⅲ、根据计算出的改进的饱和函数μ2(s)的线性域进而建立前向速度、距离D在X轴的分量和螺旋桨的矢量推力在x轴方向合力之间的前向嵌套饱和控制律函数，以及侧向速度、距离D在y轴的分量和螺旋桨的矢量推力在Y轴方向合力之间的侧向嵌套饱和控制律函数。7.根据权利要求5所述的用于多矢量螺旋桨组合浮空器定点跟踪的控制方法，其特征在于：步骤ⅰ、建立仅考虑平面运动的浮空器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽，孙丁山，梁宽宽，马影，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31