一种无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法

本发明属于无人艇控制，涉及一种无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法。

背景技术：

1、无人艇（unmanned marine vehicles, umvs）作为一种能远程遥控或自主控制航行的无人平台，具有成本低、灵活性好、隐蔽性高等特点，被用于海洋作业任务，并且具有全天候执行任务的能力，特别是能代替人类执行危险、耗时的作业任务。随着相关技术的进步和创新，无人艇的应用前景也越来越广阔，在民用方面，无人艇可用于海洋环境监测、资源勘探、海洋救援等等。在军用方面，无人艇搭载不同的武器系统，可用于海上侦察、监视、补给、攻击和反舰等。因此，无人艇的运动控制问题受到了学术和工业界的广泛关注。

2、海洋动力定位(dynamic positioning,dp)技术使无人艇在固定位置、航向或预定路径上精确控制。然而由于复杂的海洋环境，umvs容易受到海流、波浪和风造成的强烈外部扰动。因此dp的抗干扰问题是无人艇精确控制关键问题。区分抗干扰能力和抗干扰控制方法能分为两个类型：扰动抑制和扰动消除。扰动抑制是通过参数优化或鲁棒控制减小扰动对系统性能的影响。扰动消除是通过设计扰动观测器对扰动进行精确补偿。明显地，扰动消除相比于扰动抑制有更好的控制性能。目前针对dp抗干扰的研究中，研究者开发了多种基于扰动观测器的dp控制方法。例如基于速度信息，由于二阶波漂移、洋流、风和非模拟动力学导致的一种缓慢变化的扰动设计了扰动观测器。然而由于遭受噪声污染，在实际环境中速度信息是不可测量的，为了避免速度信息的缺失，提出了状态观测器基于扰动观测器，由于忽略了干扰观测器增益所满足的前提条件，干扰观测器的快速估计性能可能无法得到保证。如何在速度信息不可用的情况下快速准确地估计这种低频扰动，目前尚未出现有效的解决方案。

3、另一方面，在恶劣的海洋环境中，螺旋桨式推进器作为主要的执行器在执行任务时，umvs容易出现故障。因此，执行机构故障也是威胁dp运动控制的一个主要因素。为了消除故障对系统的影响，一般的策略是故障补偿或被动容错。故障补偿比被动容错更受青睐，因为它能够准确地抵消故障。例如，研究者设计故障状态观察器来估计执行器失效系数，或一种在输入约束下的有限时间估计器，以估计加性混合故障项(故障、干扰和不确定性)。也有研究者为切换无人艇开发了学习故障估计器。然而，对umvs的大多数故障估计结果要求相应的匹配条件,并忽略测量噪声。速度信息的不可用导致在匹配条件无法满足。此外，对缺乏速度信息的umvs的故障估计和扰动估计的协同设计问题，目前尚未出现有效的解决方法。

4、将故障和干扰的估计用于dp跟踪控制器的设计时，发现，umvs的跟踪控制结果将周期信号作为期望目标，但没有利用周期信号的重复性。由于学习前一个周期的运行结果来指导下一个周期，所以面对周期性期望目标，重复学习控制器是一种更合适的跟踪控制器。

5、然而，传统的比例-微分（proportional derivative, pd）型学习控制器依赖于测量输出，由于测量噪声的存在和速度信息的不可用性，这种方法是无效的。因此，设计具有测量噪声和未测量速度信息的umvs的比例-微分型重复学习复合抗扰动容错控制器是一个挑战，目前尚未有相应的重复学习控制器的设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，以保证在无人艇动力定位系统输出受到噪声污染，导致其速度信息不可用，并同时存在扰动和执行器故障时，无人艇动力定位系统还能安全稳定的运行。

2、本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

3、一种无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，包括如下步骤：

4、步骤1. 搭建无人艇动力定位试验仿真系统，根据无人艇的动力学特点建立其相应的数学模型；

5、步骤2. 为无人艇动力定位系统设计扰动观测器以及故障估计器，通过扰动观测器和故障估计器实现对扰动和故障的精确估计；

6、步骤3. 为存在速度信息不可用的无人艇动力定位系统设计重复学习复合抗扰动容错控制器，在满足系统安全稳定运行条件下，得到扰动观测器增益、重复学习控制增益和反馈控制增益。

7、此外，在上述无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法的基础上，本发明还提出了一种与之对应的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制系统，其采用如下技术方案：

8、一种无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制系统，包括如下模块：

9、模型搭建模块，用于搭建无人艇动力定位试验仿真系统，并根据无人艇的动力学特点建立其相应的数学模型；

10、扰动观测器以及故障估计器设计模块，用于为无人艇动力定位系统设计扰动观测器以及故障估计器，通过扰动观测器和故障估计器实现对扰动和故障的精确估计；

11、以及控制器构建以及增益求解模块，用于为存在速度信息不可用的无人艇动力定位系统设计重复学习复合抗扰动容错控制器，在满足系统安全稳定运行条件下，得到扰动观测器增益、重复学习控制增益和反馈控制增益。

12、本发明具有如下优点：

13、如上所述，本发明针对dp系统的重复学习复合抗扰容错跟踪控制问题，提出了一种速度信息不可测、执行器故障和多重干扰情况下的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，本发明在设计过程中，在中间估计量和虚拟干扰观测器的基础上提出了一种快速收敛的故障-干扰综合估计量，此外本发明还构造了一种新的基于观测器的pd-型重复学习复合抗扰动容错控制器，使系统在扰动和执行器故障的复合干扰下仍然能安全稳定的跟踪系统理想轨迹。

技术特征：

1.一种无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法，其特征在于，

技术总结本发明属于无人艇控制技术领域，公开了一种无人艇的重复学习复合抗扰动容错控制方法。本发明方法包括如下步骤：搭建无人艇动力定位试验仿真系统，并根据无人艇的动力学特点建立其相应的数学模型；构造合适的扰动观测器以及故障估计器，并对无人艇动力定位系统故障进行估计，实现对扰动和故障的估计；最后基于理想系统的周期性为无人艇动力定位系统设计重复学习复合抗扰动容错控制器，在控制器作用下完成对无人艇动力定位系统的复合抗扰动容错控制。本发明方法能够保证在无人艇动力定位系统输出受到噪声污染导致其速度信息不可用，并同时存在扰动和执行器故障时，系统还能安全稳定的运行。技术研发人员：朱延正,童显芳,周东华,张健受保护的技术使用者：山东科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/26