一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法技术

本发明专利技术提供一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法。步骤1：建立航行体横滚姿态控制模型；步骤2：基于步骤1的控制模型和极点配置法设计自抗扰控制器LARDC；步骤3：利用步骤2的自抗扰控制器实现自抗扰横滚控制。本发明专利技术用以解决在复杂海况扰动下的航行体稳定控制问题。体稳定控制问题。体稳定控制问题。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法


[0001]本专利技术涉及航行体控制领域，具体涉及一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法。

技术介绍

[0002]目前针对复杂海况干扰下的航行体横滚控制问题，在极端工况下，PID控制器性能变差，不满足使用要求，而采用的非线性控制方法中，一些控制器依赖于扰动的具体模型，一些控制器设计方法较为繁琐，且不利于工程实现，本专利技术设计了一种线性扩张状态观测器，采用了较为简洁且有效的参数整定方法，使得航行体在外界强干扰作用下，具有良好的控制性能。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法，用以解决在复杂海况扰动下的航行体稳定控制问题。
[0004]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法，所述航行体自抗扰横滚控制方法包括以下步骤：
[0006]步骤1：建立航行体横滚姿态控制模型；
[0007]步骤2：基于步骤1的控制模型和极点配置法设计自抗扰控制器LARDC；
[0008]步骤3：利用步骤2的自抗扰控制器实现自抗扰横滚控制。
[0009]进一步的，所述步骤1具体为，根据动量和动量矩定理，可以得到横滚运动方程为：
[0010][0011]将上述方程根据典型弹道作出简化假定，即对方程进行线性化、水平直航弹道和航行体为轴对称这三个条件进行简化，则简化后横滚运动方程为：
[0012][0013]式中，J
x
为航行体沿x轴转动惯量，λ
44
为航行体沿x轴附加质量，ρ为航行体所处环境密度，v为航行体速度大小，S为航行体特征面积，L为航行体特征长度，为航行体滚转力矩阻尼常数，w
x
为航行体滚转角速度，为航行体滚转操纵力矩相对导数，δ
d
为航行体等效滚转舵偏角，M
d
为航行体周围复杂海况引起的干扰力矩。
[0014]横滚角对滚转舵偏角的传递函数为：
[0015][0016]进一步的，所述步骤2中设计自抗扰控制器具体包括以下步骤：
[0017]步骤2.1：设计无对象模型的线性扩张状态观测器LESO；
[0018]步骤2.2：设计线性状态误差反馈控制器LSEF；
[0019]步骤2.3：对步骤2.1的线性扩张状态观测器器LESO和步骤2.2的线性状态误差反馈控制器LSEF进行仿真分析；
[0020]步骤2.4：验证自抗扰控制器LARD性能。
[0021]进一步的，所述步骤2.1具体为，令w代表总扰动，航行体横滚控制系统可描述为：
[0022][0023]式中，y为滚转角，为滚转角速度，为滚转角加速度，u为控制量输入，b为控制相对系数，a0为滚转角相对系数，a1为滚转角速度相对系数。
[0024]设定总扰动为：
[0025][0026]可将式改写为：
[0027][0028]选取状态变量为：x1＝y，x3＝f，可得连续扩张状态观测器为：
[0029][0030]式中，
[0031]对应的线性扩张状态观测器LESO为：
[0032][0033]式中，C＝[100]，L＝[L
1 L
2 L3]T
为观测器的误差反馈控制增益矩阵；
[0034]式的特征方程为：
[0035]λ(s)＝|sI
‑
(A
‑
LC)| (9)
[0036]经过参数化后，把特征方程的极点设计为如下形式：
[0037]λ(s)＝(s+w0)(s+k1w0)(s+k2w0) (10)
[0038]式中，w0为所设计扩张状态观测器极点，k1、k2为扩张状态观测器极点配置系数。
[0039]可得扩张状态观测器的增益矩阵为：
[0040][0041]进一步的，所述步骤2.2具体为，LSEF采用线性PD组合的控制器，z1→
y，
[0042]其形式为：
[0043]u0＝k
p
(z
c
‑
z1)
‑
k
d
z
2 (12)
[0044]式中，u0为最终控制输出量，z
c
为期望滚转角，z1为航行体当前状态下的滚转角，z2为航行体当前状态下的滚转角速度；
[0045]故闭环传递函数为：
[0046][0047]式中，k
p
与k
d
是需要设计的控制器参数，同样选择控制器的传递函数的极点放在不同位置w
c
，k3w
c
处w
c
＞1,k3＞1，可得控制器参数为：
[0048][0049]经过参数化设计之后，LADRC要调整的参数变为w0,w
c
,b0,k1,k2,k3六个参数，所述w0为扩张状态观测器极点，w
c
为控制器极点，b0为控制系数，k
1 k2为扩张状态观测器极点配置系数，k3为控制器极点配置系数。
[0050]本专利技术的有益效果是：
[0051]本专利技术的复杂海况下的自抗扰控制器具有更好的控制性能，响应时间迅速，控制精度高，鲁棒性好，可在未知扰动下对航行体横滚通道进行稳定控制；
[0052]本专利技术的线性扩张状态观测器不依赖于具体控制模型，收敛时间短，控制性能稳定，可在短时间内进行模型补偿；
[0053]本专利技术的线性扩张状态观测器具有更好的控制性能，其结构简单，效果显著，参数整定方式可操作性强，易于实现。
附图说明
[0054]图1是本专利技术的LARDC结构示意图。
[0055]图2是本专利技术的扩张状态观测器结构示意图。
[0056]图3是本专利技术的输入信号为单位阶跃信号，外扰为常值扰动的LARDC输出曲线图。
[0057]图4是本专利技术的输入信号为单位阶跃信号，外扰为常值扰动的PID输出曲线图。
[0058]图5是本专利技术的输入信号为单位阶跃信号，外扰为常值扰动的LARDC舵偏角曲线图。
[0059]图6是本专利技术的输入信号为单位阶跃信号，外扰为常值扰动的PID舵偏角曲线图。
[0060]图7是本专利技术的输入信号为单位阶跃信号，外扰为周期扰动的LARDC输出曲线图。
[0061]图8是本专利技术的输入信号为单位阶跃信号，外扰为周期扰动的PID输出曲线图。
[0062]图9是本专利技术的输入信号为单位阶跃信号，外扰为周期扰动的LARDC舵偏角曲线图。
[0063]图10是本专利技术的输入信号为单位阶跃信号，外扰为周期扰动的PID舵偏角曲线图。
[0064]图11是本专利技术的输入信号为方波信号，外扰为周期扰动的LARDC输出曲线图。
[0065]图12是本专利技术的输入信号为方波信号，外扰为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法，其特征在于，所述航行体自抗扰横滚控制方法包括以下步骤：步骤1：建立航行体横滚姿态控制模型；步骤2：基于步骤1的控制模型和极点配置法设计自抗扰控制器LARDC；步骤3：利用步骤2的自抗扰控制器实现自抗扰横滚控制。2.根据权利要求1所述一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤1具体为，根据动量和动量矩定理，可以得到横滚运动方程为：将上述方程根据典型弹道作出简化假定，即对方程进行线性化、水平直航弹道和航行体为轴对称这三个条件进行简化，则简化后横滚运动方程为：式中，J
x
为航行体沿x轴转动惯量，λ
44
为航行体沿x轴附加质量，ρ为航行体所处环境密度，v为航行体速度大小，S为航行体特征面积，L为航行体特征长度，为航行体滚转力矩阻尼常数，w
x
为航行体滚转角速度，为航行体滚转操纵力矩相对导数，δ
d
为航行体等效滚转舵偏角，M
d
为航行体周围复杂海况引起的干扰力矩；横滚角对滚转舵偏角的传递函数为：3.根据权利要求1所述一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤2中设计自抗扰控制器具体包括以下步骤：步骤2.1：设计无对象模型的线性扩张状态观测器LESO；步骤2.2：设计线性状态误差反馈控制器LSEF；步骤2.3：对步骤2.1的线性扩张状态观测器器LESO和步骤2.2的线性状态误差反馈控制器LSEF进行仿真分析；步骤2.4：验证自抗扰控制器LARD性能。4.根据权利要求2所述一种复杂海况干扰下的航行体自抗扰横滚控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤2.1具体为，令w代表总扰动，航行体横滚控制系统可描述为：式中，y为滚转角，为滚转角速度，为滚转角加速度，u为控制量输入，b为控制相对系数，a0为滚转角相对系数，a1为滚转角速度相对系数。设定总扰动为：
可将式改写为：选取状态变量为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：白瑜亮，王小刚，张梓晨，王帅，单永志，徐天富，张小帅，郭建明，权亚旭，董立刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：