一种基于事件触发策略的水下滑翔机鲁棒自适应航向角控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于事件触发策略的水下滑翔机航向角鲁棒自适应控制方法，该方法通过将横滚角视为虚拟控制，差动舵角视为实际控制输入，基于四阶非线性模型和反步法设计控制器。首先计算水下滑翔机航向角跟踪误差，设计横滚角的虚拟控制律。其次基于虚拟控制律和当前水下滑翔机横滚角，计算横滚角跟踪误差，得到差动舵角控制命令输入。为了降低执行器动作频率，设计了相对阈值事件触发条件，仅仅当触发条件被满足时将命令信号传递至舵机，对舵机供电。同时，设计了鲁棒自适应阻尼项以镇定模型不确定项和外界扰动。从仿真结果来看，系统能够比较好地跟踪期望信号，同时舵机动作频率显著下降，控制次数有效减少，节约了航向控制系统的能耗。系统的能耗。系统的能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于事件触发策略的水下滑翔机鲁棒自适应航向角控制方法


[0001]本专利技术涉及水下滑翔机的控制
，具体说是一种基于事件触发策略的水下滑翔机鲁棒自适应航向角控制方法。

技术介绍

[0002]水下滑翔机是一种纯浮力驱动，无外挂推进器的新型水下航行器。作为一种自带电源的长航程水下航行器，其续航能力是长期进行滑翔和观测任务执行的保证。控制系统能耗对于滑翔机的续航能力是非常明显的，降低控制能耗、实现水下滑翔机节能运动控制具有重要意义。
[0003]现有的水下滑翔机航向角控制策略对精确数学模型的依赖程度较高，且最为明显的不足是在存在环境扰动和未建模动态的情况下需要连续地操舵以保持航向，这不仅造成了大量的控制系统能量消耗，也加剧了执行器的磨损，不利于水下滑翔机的长期任务执行。因此，设计具有良好的适应性和鲁棒性，同时具有较低的执行器动作频率的水下滑翔机航向控制器具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种基于事件触发策略的水下滑翔机航向角鲁棒自适应控制方法，以克服上述的各项缺陷，使水下滑翔机在实现精确航向角跟踪控制的前提下减少控制次数，降低舵机的动作频率以节约控制系统能耗。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]所述一种基于事件触发策略的水下滑翔机航向角鲁棒自适应控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0007]步骤1：建立水下滑翔机的侧向运动数学模型，包括航向角、偏航角速度、横滚角以及横滚角速度的状态方程；
[0008]步骤2：连续采集水下滑翔机状态变量，包括航向角、偏航角速度、横滚角、横滚角速度和纵向速度；
[0009]步骤3：根据采集的各个状态变量计算偏航角速度、横滚角、横滚角速度的中间虚拟控制律和差动舵的实际控制律；
[0010]步骤4：判断航向误差是否达到稳定，并计算实际控制律信号与差动舵当前信号之差，将其与设计的事件触发阈值比较以判断是否满足事件触发条件；若航向误差稳定且不满足事件触发条件，则差动舵信号不变，对差动舵舵机断电，若事件触发条件被违反，则更新差动舵信号，对差动舵舵机供电，将控制信号由控制器传递给差动舵舵机；
[0011]步骤5：差动舵舵机根据步骤4的判断结果，按照新的控制信号产生相应差动舵角，或保持当前状态不变完成对水下滑翔机航向角的控制。
[0012]进一步的，步骤1中建立的水下滑翔机侧向运动模型为：
[0013][0014][0015][0016][0017]其中ψ为航向角，ω
y
为偏航角速度，为横滚角，ω
x
为横滚角速度；J
yy
、J
xx
为惯性矩，λ
55
、λ
44
为附加惯性矩；G为水下滑翔机所受重力；y
c
为水下滑翔机重心垂向坐标，x
c
为水下滑翔机重心的纵向坐标，z
c
为水下滑翔机重心的横向坐标；S、L表示水下滑翔机的横截面积和总长；和为水动力系数，β为侧滑角，δ
d
为差动舵角，是实际控制输入。
[0018]进一步的，步骤1中，将建立的水下滑翔机侧向运动模型标准化为具有严格反馈形式的高阶非线性模型
[0019][0020][0021][0022][0023]其中，g1＝(J
yy
+λ
55
)
‑1Gx
c
和为未知控制增益函数；
[0024][0025]以及
[0026][0027]为模型不确定项。
[0028]进一步的，步骤3中，偏航角速度、横滚角、横滚角速度的中间虚拟控制律和差动舵的实际控制律具体为：
[0029][0030][0031][0032][0033]其中，α1为偏航角速度的虚拟控制律，α2为横滚角的虚拟控制律，α3为横滚角速度的虚拟控制律，u(t)为差动舵控制命令信号；z1＝x1‑
x
d
为航向角跟踪误差，z2＝x2‑
β1为偏航角速度跟踪误差，z3＝x3‑
β2为横滚角跟踪误差，z4＝x4‑
β3为横滚角速度跟踪误差；为自适应参数，Φ为鲁棒自适应阻尼项；β1、β2、β3为虚拟控制律的一阶滤波器滤波输出；k1、k2、k3、
k4和κ为正的调节参数。
[0034]进一步的，步骤3中，采用动态面技术，计算虚拟控制律的滤波输出：
[0035][0036][0037][0038]其中τ1、τ2和τ3为一阶滤波器的时间常数。
[0039]进一步的，步骤3中，自适应参数的自适应律为：
[0040][0041]γ和σ为大于0的调节参数；Φ为鲁棒自适应阻尼项，其具体表达式为
[0042][0043]为以Z＝[z2,z4,x2,x3,x4,v]T
为输入的径向基神经网络的基函数向量。
[0044]进一步的，步骤4中，判断航向误差是否达到稳定的依据为：
[0045]定义航向误差保持在正负3
°
以内的时间为稳定时间，若稳定时间t
st
大于15秒则认为航向误差达到稳定。
[0046]进一步的，步骤4中，所述事件触发条件指由闭环系统稳定性推导出的利用命令信号与执行器信号之差判断是否进行控制的条件。
[0047]进一步的，步骤4中，停止对航向进行控制，对舵机进行断电的条件为航向误差稳定且不满足事件触发条件，即有：
[0048]t
st
＞15&&|e(t)|＜λ|z1(t)|+m
t
[0049]开始对航向进行控制的条件设置为事件触发条件被满足，即有：
[0050][0051]t
k+1
＝inf{t＞t
k
||e(t)|≥λ|z1(t)|+m
t
}
[0052]其中，λ和m
t
为大于0的事件触发调节参数；在t
k
≤t＜t
k+1
的时间间隔内，δ
d
(t)不进行更新，u(t)不会被传送至差动舵；一旦事件触发条件被满足，δ
d
(t)立即更新为u(t)；即使事件触发条件满足后，航向偏差小于3
°
，稳定时间的计算仍重新进行。
[0053]有益效果
[0054]与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0055]1、利用事件触发策略，有效减少了舵机的供电时间，减少了执行器的动作次数，节约了控制系统能量，减少了执行器的磨损。
[0056]2、不依赖精确的数学模型，利用鲁棒自适应技术对模型不确定项和外界扰动进行了补偿，控制器具有较好的鲁棒性和适应性。
[0057]3、利用动态面技术避免在反步法设计中对虚拟控制律进行反复求导，降低了控制律计算复杂度。
[0058]本专利技术的附加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于事件触发策略的水下滑翔机航向角鲁棒自适应控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立水下滑翔机的侧向运动数学模型，包括航向角、偏航角速度、横滚角以及横滚角速度的状态方程；步骤2：连续采集水下滑翔机状态变量，包括航向角、偏航角速度、横滚角、横滚角速度和纵向速度；步骤3：根据采集的各个状态变量计算偏航角速度、横滚角、横滚角速度的中间虚拟控制律和差动舵的实际控制律；步骤4：判断航向误差是否达到稳定，并计算实际控制律信号与差动舵当前信号之差，将其与设计的事件触发阈值比较以判断是否满足事件触发条件；若航向误差稳定且不满足事件触发条件，则差动舵信号不变，对差动舵舵机断电，若事件触发条件被违反，则更新差动舵信号，对差动舵舵机供电，将控制信号由控制器传递给差动舵舵机；步骤5：差动舵舵机根据步骤4的判断结果，按照新的控制信号产生相应差动舵角，或保持当前状态不变完成对水下滑翔机航向角的控制。2.根据权利要求1所述一种基于事件触发策略的水下滑翔机航向角鲁棒自适应控制方法，其特征在于：步骤1中建立的水下滑翔机侧向运动模型为：征在于：步骤1中建立的水下滑翔机侧向运动模型为：征在于：步骤1中建立的水下滑翔机侧向运动模型为：征在于：步骤1中建立的水下滑翔机侧向运动模型为：其中ψ为航向角，ω
y
为偏航角速度，为横滚角，ω
x
为横滚角速度；J
yy
、J
xx
为惯性矩，λ
55
、λ
44
为附加惯性矩；G为水下滑翔机所受重力；y
c
为水下滑翔机重心垂向坐标，x
c
为水下滑翔机重心的纵向坐标，z
c
为水下滑翔机重心的横向坐标；S、L表示水下滑翔机的横截面积和总长；和为水动力系数，β为侧滑角，δ
d
为差动舵角，是实际控制输入。3.根据权利要求2所述一种基于事件触发策略的水下滑翔机航向角鲁棒自适应控制方法，其特征在于：步骤1中，将建立的水下滑翔机侧向运动模型标准化为具有严格反馈形式的高阶非线性模型的高阶非线性模型的高阶非线性模型的高阶非线性模型其中，g1＝(J
yy
+λ
55
)
‑1Gx
c
和为未知控制增益函数；
以及为模型不确定项。4.根据权利要求3所述一种基于事件触发策略的水下滑翔机航向角鲁棒自适应控制方法，其特征在于：步骤3中，偏航角速度、横滚角、横滚角速度的中间虚拟控制律和差动舵的实际控制律具体为：实际控制律具体为：实际控制律具体为：实际控制律具体为：其中，α1为偏航角速度的虚拟控制律，α2为横滚角的虚拟控制律，α3为横滚角速度的虚拟控制律，u(t)为差动舵控制命令信号；z1＝x1‑

【专利技术属性】
技术研发人员：高剑，潘光，宋保维，陈依民，曹永辉，张福斌，彭星光，李乐，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：