一种考虑控制分配的水下滑翔机被动容错控制方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑控制分配的水下滑翔机被动容错控制方法，针对水下滑翔机的纵向运动姿态控制，首先设计控制分配方法将具有相似控制作用的冗余执行机构的作用力合并，之后给出使代价函数最小的控制分配方案，最终添加滑模组件实现执行机构在发生失效故障、偏置故障及卡死故障情况下的稳定控制。相较于现有的控制器，本发明专利技术所设计的控制器能够在实现容错控制的前提下，保证在预先设计的时间内收敛到稳定状态，并且该预先设计的时间与系统的初始状态无关。态无关。态无关。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑控制分配的水下滑翔机被动容错控制方法


[0001]本专利技术属于水下滑翔机
，涉及一种水下滑翔机的被动容错控制方法，具体说是一种考虑控制分配的水下滑翔机被动容错控制方法。

技术介绍

[0002]水下滑翔机的概念最早由Stommel(1989)提出，并引起了广泛的关注。一般来说，这种滑翔机被设计成没有外部推进的带翼水下航行器。该滑翔机通过调节可动内部滑块的位置来改变姿态，通过调节净浮力来实现上下运动。此外，施加在机翼上的水动力使滑翔机向前移动。由于水下滑翔机能耗低，能够执行远距离和长时间任务的特性，它们被应用在海洋科学、油田探索、水下油气管道的长期监测等海洋工业领域，也被称为“远洋水下滑翔机”。在设计上，这类航行器面临着诸如非线性建模、路径规划和避障、可靠的控制器设计和风险评估等方面的挑战。
[0003]水下滑翔机的控制系统作为航行器系统工程中的重要子系统，在执行海洋资源探索、海洋生物追踪、海洋剖面数据收集、潜艇探测等任务时，发挥着重大的作用。而保证航行器高性能完成这些水下任务的前提，是航行器的控制系统必须能够正常可靠地运行。然而水下环境的恶劣和部件的老化致使航行器的执行机构会不可避免地出现各种故障。如果水下滑翔机在执行机构发生诸如失效故障、偏执故障和卡死故障时，不能采取有效的容错措施来保证姿态控制的稳定性，将会给航行器的生存带来极大的挑战。因此，提前针对执行机构可能发生的故障设计相应的容错控制方法是十分必要的。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种考虑控制分配的水下滑翔机被动容错控制方法，通过该方法可以实现水下滑翔机纵向运动中执行机构发生失效故障、偏置故障和卡死故障时的稳定控制。
[0006]技术方案
[0007]一种考虑控制分配的水下滑翔机被动容错控制方法，其特征在于步骤如下：
[0008]步骤1：给出水下滑翔机的纵向状态空间方程；
[0009]步骤2：将状态空间方程整理成如下形式：
[0010][0011]其中，为状态变量，为状态变量的系数矩阵，为矩阵变换项，为非线性项，为控制输入，为控制输入的系数矩阵；
[0012]步骤3：设计可逆矩阵使得具有相似控制作用的执行机构合并为一个单元并得到虚拟控制器V＝NU＝[x
p_v δ
v
]T
及其系数矩阵B
′
＝BN
‑1＝[b
′
1 b
′2]，从而将状态方程改写为：
[0013]步骤4：设计控制分配矩阵Φ使得代价函数最小从而实现最优控制，其中ω1、ω2为权重系数，v
1_1
、v
1_2
分别为滑块和水平舵的作用力；
[0014]步骤5：给出控制分配变换后的最终模型：其中，B
″
＝b
′1，V
′
＝x
p_v
；
[0015]步骤6：给出执行机构在发生偏置故障、失效故障及卡死故障情况下的故障模型；
[0016]步骤7：基于滑模控制和指定时间稳定理论进行控制器设计，其中稳定性时间理论表述如下：
[0017]对于一个自治系统并且为状态向量，假设存在一个Lyapunov候选函数满足V(0)＝0，当满足下式所述条件时，可以得出该自治系统在任意的x(t0)≠0时，能够实现在T
c
时间内的指定时间全局稳定：
[0018]。
[0019]进一步的技术方案：步骤1中所述的水下滑翔机的纵向状态空间方程为：
[0020][0021]其中：
[0022][0023]模型中，选取浮心为载体坐标系原点；其中，m为滑翔机的总重量；λ
11
、λ
22
、λ
26
、λ
66
为附加质量；x
c
、y
c
分别为重心在载体坐标系中的坐标；C
x
为纵向力系数；和为位置力系数，对应的位置力是水下滑翔机在固定攻角条件下做匀速直线运动时产生的；和为无量纲化角速度的旋转系数，对应的旋转力是水下滑翔机做稳定旋转运动时产生的；和为水平舵舵力系数，对应的舵力是水下滑翔机操水平舵时产生的；ΔG＝G
‑
B，其中，G＝mg
为滑翔机的重力，B＝ρgV为滑翔机所受的浮力，V为滑翔机的总体积，ρ为水的密度；S为最大横截面面积；为无量纲化系数，其中，L为水下滑翔机的长度；J
zz
为转动惯量；v
x
为纵平面中水平速度；v
y
为纵平面中垂直速度；ω
z
为俯仰角速度；其中，m
p
为滑块质量，x
p
和δ分别为滑块位移量和水平舵大小，作为系统的两个控制输入。
[0024]进一步的技术方案：步骤6所述的偏置故障的故障模型：
[0025][0026]其中，ΔV
′
＝(B
″
Φ)
‑1B
′
NΔU＝[Δu]，假设偏置故障影响ΔU是有界的，则Δu也是有界的，且||Δu||≤Δu
max
；
[0027]所述失效故障的故障模型：
[0028][0029]所述卡死故障的故障模型：
[0030][0031]其中，ΔV
′
F
＝Δv＝(B
″
Φ)
‑1B
′
ΔV
F
。
[0032]进一步的技术方案：步骤7具体如下：
[0033]根据滑模控制与指定时间稳定理论，假设扰动d和偏置故障影响Δv有界，满足||Δv||≤Δv
max
，为扰动d的上界，定义ω
d
为期望俯仰角速度，θ
d
为期望俯仰角，则俯仰角速度误差ω
e
和俯仰角误差θ
e
可以表示为：
[0034]ω
e
＝ω
z
‑
ω
d
，θ
e
＝θ
‑
θ
d
；滑模面设计为：S＝ω
e
+β；取
[0035]设计控制器如下：
[0036][0037]其中：
[0038][0039]并且满足：
[0040]K≥max{K
x
,K
y
,K
z
,K
s
}
[0041]其中：K,K
x
,K
y
,K
z
,K
s
均为滑模增益系数；
[0042][0043][0044][0045]。
[0046]一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑控制分配的水下滑翔机被动容错控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：给出水下滑翔机的纵向状态空间方程；步骤2：将状态空间方程整理成如下形式：其中，为状态变量，为状态变量的系数矩阵，为矩阵变换项，为非线性项，为控制输入，为控制输入的系数矩阵；步骤3：设计可逆矩阵使得具有相似控制作用的执行机构合并为一个单元并得到虚拟控制器V＝NU＝[x
p_v δ
v
]
T
及其系数矩阵B
′
＝BN
‑1＝[b
′
1 b
′2]，从而将状态方程改写为：步骤4：设计控制分配矩阵Φ使得代价函数最小从而实现最优控制，其中ω1、ω2为权重系数，v
1_1
、v
1_2
分别为滑块和水平舵的作用力；步骤5：给出控制分配变换后的最终模型：其中，B
″
＝b
′1，V
′
＝x
p_v
；步骤6：给出执行机构在发生偏置故障、失效故障及卡死故障情况下的故障模型；步骤7：基于滑模控制和指定时间稳定理论进行控制器设计，其中稳定性时间理论表述如下：对于一个自治系统并且为状态向量，假设存在一个Lyapunov候选函数满足V(0)＝0，当满足下式所述条件时，可以得出该自治系统在任意的x(t0)≠0时，能够实现在T
c
时间内的指定时间全局稳定：。2.根据权利要求1所述的考虑控制分配的水下滑翔机被动容错控制方法，其特征在于：步骤1中所述的水下滑翔机的纵向状态空间方程为：其中：
模型中，选取浮心为载体坐标系原点；其中，m为滑翔机的总重量；λ
11
、λ
22
、λ
26
、λ
66
为附加质量；x
c
、y
c
分别为重心在载体坐标系中的坐标；C
x
为纵向力系数；和为位置力系数，对应的位置力是水下滑翔机在固定攻角条件下做匀速直线运动时产生的；和为无量纲化角速度的旋转系数，对应的旋转力是水下滑翔机做稳定旋转运动时产生的；和为水平舵舵力系数，对应的舵力是水下滑翔机操水平舵时产生的；ΔG＝G
‑
B，其中，G＝mg为滑翔机的重力，B＝ρgV为滑翔机所受的浮力，V为滑翔机的总体积，ρ为水的密度；S为最大横截面面积；为无量纲化系数，其中，L为水下滑翔机的长度；J
zz
为转动惯量；v
x
...

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