无人艇可重构容错控制方法技术

本发明专利技术提供了一种无人艇可重构容错控制方法，包括：获取无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度的动态参数；获取无人艇二阶动态输入方程存在的执行器幅值和速率的故障参数；根据动态参数，基于单参数自适应故障辨识，进行无人艇可重构容错控制；通过无人艇可重构容错控制，使得故障参数的误差具有有界性；以及通过无人艇可重构容错控制，使得无人艇跟踪误差信号具有有限时间收敛性。无人艇跟踪误差信号具有有限时间收敛性。无人艇跟踪误差信号具有有限时间收敛性。

【技术实现步骤摘要】
无人艇可重构容错控制方法


[0001]本专利技术涉及无人艇
，细分为无人艇的安全控制
，特别涉及一种无人艇可重构容错控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着陆地燃料资源的枯竭，占据地球面积约71％的海洋战略地位随之不断提高。为充分勘探和开采海洋资源，海洋装备技术的发展不可或缺。以无人艇(包括水面无人船等)为代表的海洋智能装备是现阶段海上作战、作业的主要载体。
[0003]无人艇的工作范围经常处于环境复杂多变的水域，经常会带给无人艇不可预知的危险。随着智能无人艇作战、作业能力的提升，其动态性、智能性、复杂性随之提高，其安全保障和可靠运行也得到深入关注。无人艇应尽早发现可能存在的故障，并采取适当、合理的容错手段，以重构受故障影响而被破坏的控制器、处理存在的故障影响以及降低无人艇潜在的风险，而实现其自主故障诊断和可重构容错控制是无人艇安全航行和可靠作战、作业的核心。
[0004]现有的无人艇执行器故障研究一方面通常采用多分类、多参数建模，建模技术分散而不统一，不同类型故障下同一类故障模型迁移性较差。无人艇执行器故障研究另一方面通常采用故障检测算法、被动鲁棒容错算法完成，其预设鲁棒界限无法适配幅值较大、短时间较剧烈变化类型故障，同时忽略故障参数本身信息在容错控制中的有益作用。目前的无人艇执行器故障建模和容错控制算法局限性较大、合理性较低，导致故障建模和算法完成仿真验证和实艇测试难度大、通用性差、迁移性差，存在仿真效果与实际情况相似度较低的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种无人艇可重构容错控制方法，以解决现有的无人艇执行器故障建模和算法完成仿真验证和实艇测试难度大、通用性差、迁移性差，仿真效果与实际情况相似度较低的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种无人艇可重构容错控制方法，包括：
[0007]获取无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度的动态参数；
[0008]获取无人艇二阶动态输入方程存在的执行器幅值和速率的故障参数；
[0009]根据动态参数，基于单参数自适应故障辨识，进行无人艇可重构容错控制；
[0010]通过无人艇可重构容错控制，使得故障参数的误差具有有界性；以及
[0011]通过无人艇可重构容错控制，使得无人艇跟踪误差信号具有有限时间收敛性。
[0012]可选的，在所述的无人艇可重构容错控制方法中，获取无人艇二阶动态输入方程存在的执行器幅值和速率的故障参数包括：
[0013]通过二阶动态建模获取内部状态，根据内部状态将一阶输入方程转换为执行器幅值和速率的二阶动态方程；
[0014]进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态建模；以及
[0015]进行单参数建模，将无人艇执行器的卡死故障参数、失灵故障参数、部分失效故障参数与无故障参数形成单参数模型。
[0016]可选的，在所述的无人艇可重构容错控制方法中，根据动态参数，基于单参数自适应故障辨识，进行无人艇可重构容错控制包括：
[0017]基于未知参数补偿器的观测器，进行单参数自适应故障辨识；
[0018]计算具有投影函数性质的未知故障单参数和未知参数补偿器的动态自适应率；
[0019]根据未知故障单参数和动态自适应率，使得二阶动态输入误差具有有界性；
[0020]根据未知故障单参数和动态自适应率，使得故障参数估计值逼近故障参数真实值；
[0021]通过故障参数估计值逼近故障参数真实值，避免故障建模引入未知参数的不确定性；
[0022]通过故障参数估计值逼近故障参数真实值，为无人艇可重构容错控制提供故障参数估计量。
[0023]可选的，在所述的无人艇可重构容错控制方法中，基于单参数自适应故障辨识，进行无人艇可重构容错控制还包括：
[0024]基于无人艇二阶动态参考模型、无人艇内部动态模型以及终端滑模面，进行单参数自适应可重构容错控制；
[0025]通过单参数自适应故障辨识对二阶动态输入方程进行估计；
[0026]通过单参数自适应故障辨识进行有限时间的滑模控制；
[0027]通过二阶动态输入方程的估计和有限时间的滑模控制，使得单参数执行器幅值和速率故障建模下无人艇跟踪误差信号具有收敛性；
[0028]对执行动态任务有时间限制特定需求的无人艇的误差跟踪，获取收敛时间的有限界值。
[0029]可选的，在所述的无人艇可重构容错控制方法中，还包括：
[0030]考虑波浪、洋流引起的外部扰动，建立无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程；
[0031]引入坐标变换，建立无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程和二阶动态参考模型；
[0032]建立无人艇实际控制输入信号的二阶动态模型，引入未知故障单参数变量，建立基于单参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障模型；
[0033]设计基于未知参数补偿器的观测器，引入滤波变量，设计故障辨识自适应率；
[0034]基于单参数自适应故障辨识框架，建立无人艇内部动态方程；
[0035]定义跟踪误差信号，设计终端滑模面；
[0036]根据无人艇二阶动态参考模型、自适应故障辨识及终端滑模面，设计基于有限时间滑模控制的单参数自适应可重构容错控制器。
[0037]可选的，在所述的无人艇可重构容错控制方法中，
[0038]步骤一：建立常规无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程；
[0039]步骤二：根据步骤一中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程，利用坐标变换得到无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立无人艇的二阶动态参考模型；
[0040]步骤三：根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立针对二阶动态方程的无人艇实际控制输入信号的二阶动态输入模型；
[0041]同时基于单参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障的建模；
[0042]步骤四：针对步骤三中基于单参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障模型，在基于单参数自适应故障辨识框架下设计基于未知参数补偿器的观测器进行对无人艇实际控制输入信号的二阶动态输入的有效估计；
[0043]针对步骤三中未知故障单参数变量和本步骤中未知参数补偿器，设计故障辨识自适应率。
[0044]可选的，在所述的无人艇可重构容错控制方法中，在基于单参数自适应故障辨识框架下实现二阶动态输入误差的有界性以及使得单参数变量估计值逼近未知故障真实值；
[0045]步骤五：根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立内部动态方程；
[0046]步骤六：根据步骤二中获取的参考模型位置和角度，参考模型速度和角速度，无人艇二阶动态方程位置和角度，以及无人艇二阶动态模型内部状态，速度和角速度，定义跟踪误差信号，设计终端滑模面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，包括：获取无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度的动态参数；获取无人艇二阶动态输入方程存在的执行器幅值和速率的故障参数；根据动态参数，基于单参数自适应故障辨识，进行无人艇可重构容错控制；通过无人艇可重构容错控制，使得故障参数的误差具有有界性；以及通过无人艇可重构容错控制，使得无人艇跟踪误差信号具有有限时间收敛性。2.如权利要求1所述的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，获取无人艇二阶动态输入方程存在的执行器幅值和速率的故障参数包括：通过二阶动态建模获取内部状态，根据内部状态将一阶输入方程转换为执行器幅值和速率的二阶动态方程；进行无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态建模；以及进行单参数建模，将无人艇执行器的卡死故障参数、失灵故障参数、部分失效故障参数与无故障参数形成单参数模型。3.如权利要求2所述的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，根据动态参数，基于单参数自适应故障辨识，进行无人艇可重构容错控制包括：基于未知参数补偿器的观测器，进行单参数自适应故障辨识；计算具有投影函数性质的未知故障单参数和未知参数补偿器的动态自适应率；根据未知故障单参数和动态自适应率，使得二阶动态输入误差具有有界性；根据未知故障单参数和动态自适应率，使得故障参数估计值逼近故障参数真实值；通过故障参数估计值逼近故障参数真实值，避免故障建模引入未知参数的不确定性；通过故障参数估计值逼近故障参数真实值，为无人艇可重构容错控制提供故障参数估计量。4.如权利要求3所述的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，基于单参数自适应故障辨识，进行无人艇可重构容错控制还包括：基于无人艇二阶动态参考模型、无人艇内部动态模型以及终端滑模面，进行单参数自适应可重构容错控制；通过单参数自适应故障辨识对二阶动态输入方程进行估计；通过单参数自适应故障辨识进行有限时间的滑模控制；通过二阶动态输入方程的估计和有限时间的滑模控制，使得单参数执行器幅值和速率故障建模下无人艇跟踪误差信号具有收敛性；对执行动态任务有时间限制特定需求的无人艇的误差跟踪，获取收敛时间的有限界值。5.如权利要求4所述的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，还包括：考虑波浪、洋流引起的外部扰动，建立无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程；引入坐标变换，建立无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程和二阶动态参考模型；建立无人艇实际控制输入信号的二阶动态模型，引入未知故障单参数变量，建立基于单参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障模型；
设计基于未知参数补偿器的观测器，引入滤波变量，设计故障辨识自适应率；基于单参数自适应故障辨识框架，建立无人艇内部动态方程；定义跟踪误差信号，设计终端滑模面；根据无人艇二阶动态参考模型、自适应故障辨识及终端滑模面，设计基于有限时间滑模控制的单参数自适应可重构容错控制器。6.如权利要求5所述的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，步骤一：建立常规无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程；步骤二：根据步骤一中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的位置/角度和速度/角速度动态方程，利用坐标变换得到无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立无人艇的二阶动态参考模型；步骤三：根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立针对二阶动态方程的无人艇实际控制输入信号的二阶动态输入模型；同时基于单参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障的建模；步骤四：针对步骤三中基于单参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障模型，在基于单参数自适应故障辨识框架下设计基于未知参数补偿器的观测器进行对无人艇实际控制输入信号的二阶动态输入的有效估计；针对步骤三中未知故障单参数变量和本步骤中未知参数补偿器，设计故障辨识自适应率。7.如权利要求6所述的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，在基于单参数自适应故障辨识框架下实现二阶动态输入误差的有界性以及使得单参数变量估计值逼近未知故障真实值；步骤五：根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，建立内部动态方程；步骤六：根据步骤二中获取的参考模型位置和角度，参考模型速度和角速度，无人艇二阶动态方程位置和角度，以及无人艇二阶动态模型内部状态，速度和角速度，定义跟踪误差信号，设计终端滑模面；步骤七：根据步骤二中二阶动态参考模型，步骤四中自适应故障辨识以及步骤六中终端滑模面，设计基于有限时间滑模控制的单参数自适应可重构容错控制器；在基于有限时间滑模控制的单参数自适应可重构容错控制的作用下，通过步骤四中自适应故障辨识对二阶动态输入的有效、精确估计，最终实现基于单参数策略的二阶动态输入方程的执行器幅值和速率故障建模下无人艇跟踪误差信号的有限时间收敛性；在终端滑模面的作用下，获取无人艇跟踪误差信号收敛性的有限时间界值。8.如权利要求7所述的无人艇可重构容错控制方法，其特征在于，根据步骤二中无人艇浪涌、摇摆、偏航通道的二阶动态方程，引入内部状态将常规一阶输入方程转换为无人艇实际控制输入信号τ
a
＝[τ
a1 τ
a2 τ
a3
]
T
的执行器幅值和速率的二阶输入方程，可得如下表示的第i个二阶动态输入τ
ai
,i＝1,2,3：其中τ
bi
表示为二阶动态输入方程的内部状态，u
di
表示为二阶动态输入方程的待设计控
制输入信号，标量参数λ
ai
,λ
bi
满足λ
ai
＞＞1,λ
bi
＞＞1,λ
ai
＞＞λ
bi
；同时引入未知故障单参数θ
i
将无人艇执行器故障综合、统一建模于一类表达式，其无人艇输入方程的执行器幅值和速率故障的二阶动态建模表示如下：其中δ为...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳春，赵璟，汪小帆，王曰英，任肖强，蒲华燕，王玉龙，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：