一种超空泡航行体自适应容错控制方法技术

本发明专利技术提供一种超空泡航行体自适应容错控制方法。步骤1：设计超空泡航行体的数学模型；步骤2：通过步骤1的数学模型建立系统不确定性和执行机构故障的模型；步骤3：通过步骤2的模型设计自适应控制律。保证了在存在执行机构故障和不确定性的情况下航行体闭环控制系统的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种超空泡航行体自适应容错控制方法
本专利技术属于的
；具体涉及一种超空泡航行体自适应容错控制方法。
技术介绍
高速水下航行器利用超空泡技术来减少其表面摩擦，从而使其能够以高达200m/s的速度行驶；然而，由于不确定性和执行机构故障可能会导致与参考轨迹的较大偏差，因此对于控制系统设计而言，以很高的速度行驶可能会遇到挑战；现有超空泡航行体的容错控制问题，航行体可能发生输入饱和和增益故障，即执行机构的饱和及空泡包裹执行机构导致的效率低下的问题。
技术实现思路
针对超空泡航行体设计了一种自适应反步跟踪控制律，该控制律对执行机构故障，参数以及环境的不确定性和执行机构饱和极限具有鲁棒性，使用李雅普诺夫(Lyapunov)函数推导并获得基于反步法的自适应容错控制律，同时保证了在存在执行机构故障和不确定性的情况下航行体闭环控制系统的稳定性。本专利技术通过以下技术方案实现：一种超空泡航行体自适应容错控制方法，所述控制方法具有以下步骤：步骤1：设计超空泡航行体的数学模型；步骤2：通过步骤1的数学模型建立系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超空泡航行体自适应容错控制方法，其特征在于，所述控制方法具有以下步骤：/n步骤1：设计超空泡航行体的数学模型；/n步骤2：通过步骤1的数学模型建立系统不确定性和执行机构故障的模型；/n步骤3：通过步骤2的模型设计自适应控制律。/n

【技术特征摘要】
1.一种超空泡航行体自适应容错控制方法，其特征在于，所述控制方法具有以下步骤：
步骤1：设计超空泡航行体的数学模型；
步骤2：通过步骤1的数学模型建立系统不确定性和执行机构故障的模型；
步骤3：通过步骤2的模型设计自适应控制律。


2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：建立惯性参考系OeXeYeZe，其原点为海平面；建立航行体固定的坐标系Obxbybzb，航行体坐标系的原点位于空化器的压力中心，xb轴指向航行体的对称轴，yb轴指向航行体右侧，zb轴满足右手定则指向下；
步骤1.2：根据步骤1.1的坐标系，假设沿xb轴的速度V恒定，且航行体为刚体，其水下的运动学及动力学方程为，









式中，z是航行体在惯性坐标系中沿Ze方向的位置，w是yb轴的角速度，θ是俯仰角，q是俯仰角速度，M是航行体质量，xcg是航行体沿xb轴的重心位置，Iy是yb轴的转动惯量，Fz,g,Fz,fin,Fz,cav,Fz,plane为重力、尾舵所受的力、空化器所受的力和滑行力在zb-轴的分量；Mz,g,Mz,fin,Mz,plane为沿zb-轴作用的重力矩、尾舵所受的力矩和滑行力矩的分量；
步骤1.3：且步骤1.2中M公式、xcg公式和Iy公式分别为，









其中，m是密度比ρb/ρ，ρb是航行体的密度，ρ是流体的密度，L是航行体的长度，R是航行体圆柱段的半径；
步骤1.4：步骤1.2中的各个力与力矩的具体计算公式为：
Fz,g＝Mgcosθ
Mz,g＝-xcgMgcosθ(3)



其中，Rn为圆盘空化器的半径，Cx0为空化器零攻角时的阻力系数，σ为空化数，Lcav为空化器中心到航行体质心的距离，αc为空化器攻角为：δc是空化器的舵偏角，其定义为沿逆时针方向的舵偏角为正；
步骤1.5：步骤1.2中的超空泡航行体尾部滑行力的模型由下式给出，



式中，空泡的半径为Rc且为其扩张速率，其中的参数h，αplane定义如下：









定义n表示尾翼相对于空化器的有效性；
步骤1.6：所述其中尾翼的有效性表示由于尾翼处攻角的单位变化而引起的尾翼力在体轴上分力的变化，则步骤1.2中的分力和尾翼诱导的俯仰力矩为，



式中，n表示尾翼相对于空化器的控制效率，αf为尾翼处的攻角：δf为尾翼处的舵偏角。


3.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1：定义超空泡飞行器的状态为x1＝[z,θ]T，x2＝[w,q]T，控制输入为u＝[δf,δc]T，假设cosθ≈1和sinθ≈θ，超空泡航行体系统的纵向非线性模型由下式给出，

【专利技术属性】
技术研发人员：白瑜亮，王小刚，荣思远，崔乃刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23