一种预设跟踪精度的潜航器容错输出约束控制系统及方法

本发明涉及一种容错控制系统及方法，具体涉及一种预设跟踪精度的潜航器容错输出约束控制系统及方法。

背景技术：

1、海洋对地球上的生命至关重要，是气候调节、维持生态系统和支持生物多样性不可或缺的一部分。作为全球贸易的主要渠道，海洋促进了发达国家的生产力发展、出口和创新水平，同时促进了发展中国家的经济增长和生活水平。此外，海洋世界为人类提供了重要的能源，无论是利用海浪和海上风能，开采海底石油和天然气矿床，还是生产鱼类。鉴于环境的极端条件，进一步的海洋探索有望阐明有关生命起源的基本问题，如果没有舰艇工具，就无法完成。

2、到目前为止，大多数用于获取科学数据的舰艇都属于更传统的车辆类别，例如推进器驱动的无人机、潜航器或轮式漫游车。海洋预报、深海勘探和油气管道的水下检查等应用是需要水下舰艇在各种约束和高度自主性下工作的典型例子。特别是潜航器在各种海上作业中具有大量成功的记录，其特点是受约束的高维非线性动力学，特别是在驱动不足的系统的情况下，这些系统会因模型不确定性和各种操作约束而产生显着的复杂性。

3、作为一个典型的海洋控制问题，完成潜航器的轨迹跟踪仍然有待解决。轨迹跟踪是指潜航器遵循具有严格时间要求的时空轨迹，这对于航行安全、减排和节能等海上应用具有重要意义。与路径跟踪相比，轨迹跟踪不仅需要转向控制律，还需要专用的速度控制律。到目前为止，欠驱动潜航器的轨迹跟踪控制方面还有许多未解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决跟踪误差的收敛速度和残差集的大小依赖于未知的模型参数和干扰界和神经网络、模糊逻辑系统或自适应技术无法完全补偿系统非线性函数以及带来的算法计算负担等问题，本发明提供了一种预设跟踪精度的潜航器容错输出约束控制系统及方法。本发明摆脱了对于辨识、逼近、估计、观测以及求导等环节的依赖，进而简化了控制器结构，同时可对潜航器的位置跟踪误差的超调量、收敛时间/速度以及稳态值进行预先设定，保证了控制信号连续且无剧增现象。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种预设跟踪精度的潜航器容错输出约束控制系统，包括期望轨迹输入pd、潜航器的闭环系统，其中：

4、所述潜航器的闭环系统包括反馈控制器c、潜航器的模型p；

5、所述期望轨迹输入pd输入潜航器的期望运动轨迹xd、yd、zd；

6、所述潜航器的闭环系统根据潜航器的实际运动轨迹x减去潜航器的期望运动轨迹xd，得到潜航器的位置误差ex，潜航器的闭环系统根据潜航器的实际运动轨迹y减去潜航器的期望运动轨迹yd，得到潜航器的位置误差ey，潜航器的闭环系统根据潜航器的实际运动轨迹z减去潜航器的期望运动轨迹zd，得到潜航器的位置误差ez；

7、所述位置误差ex、ey、ez经过反馈控制器c得到系统输入τu、τr、τω；

8、所述系统输入τu、τr、τω作用于潜航器的模型p，得到潜航器的实际运动轨迹x、y、z。

9、一种利用上述潜航器容错输出约束控制系统进行潜航器容错输出约束控制的方法，包括如下步骤：

10、步骤(1)使用如下形式的非线性输出反馈系统：

11、

12、

13、其中，(x，y，z)和ψ分别表示潜航器在惯性系统中的位置和偏航角；η＝[u，v，ω，r]t，u、v、ω、r分别表示潜航器的纵荡、横荡、垂荡和艏摇速度；τu、τr和τω分别表示系统输入；fu(η)、fv(η)、fω(η)和fr(η)表示非线性函数；du(t)、dv(t)、dω(t)和dr(t)表示海风和海浪引起的有界环境扰动；gu、gω和gr表示与潜航器质量相关的未知正常数；

14、步骤(2)使用如下形式的执行器：

15、τi＝ρi(t)αi(t)+σi(t)，i＝u，r，ω

16、其中，αi(t)是要设计的命令控制信号；ρi(t)和σi(t)分别表示乘法和加法执行器故障；

17、步骤(4)潜航器容错输出约束控制系统的控制目标为系统输出x(t)、y(t)、z(t)跟踪期望运动轨迹xd(t)、yd(t)、zd(t)，位置误差被描述为：

18、ex(t)＝x(t)-xd(t)

19、ey(t)＝y(t)-yd(t)

20、ez(t)＝z(t)-zd(t)

21、xy平面上的位置误差被描述为：

22、z1＝||col(ex，ey)||

23、步骤(4)构造跟踪误差边界及非对称时变约束函数

24、步骤(41)设计跟踪误差边界：

25、p(t)＝γ1φ(t)+γ2

26、

27、其中，tr＞0表示设计参数；

28、步骤(42)设计非对称时变约束函数：

29、kz(t)＝(ka(t)-zd(t))q(t)

30、

31、其中，ka(t)、和q(t)表示设计函数，q(t)＝(1-q∞)e-μt+q∞；

32、步骤(5)反馈控制器设计

33、步骤(51)针对ex、ey和ψ设计辅助变量z2和ξ：

34、

35、

36、步骤(52)设计调节函数并利用调节函数分别对误差变量ez和系统状态z3进行调节：

37、

38、

39、其中，ts＞0表示设计参数；

40、步骤(53)对辅助变量和调节后的误差进行转换，转换方式如下：

41、

42、

43、

44、其中，ki表示控制器参数，且满足条件ki＞0；z4(t)和z5(t)为速度跟踪误差，z6(t)为调节后的速度跟踪误差，z4(t)＝u-ud，z5(t)＝r-rd，

45、步骤(54)基于反步法设计过程，设计如下控制器：

46、ud(t)＝-c1sξβ1

47、rd(t)＝-c2sξβ2

48、wd(t)＝-c3β3

49、αi(t)＝-cmβj i＝u,ω,r,j＝4,5,6

50、其中，cm，m＝1,2,…,6表示控制器参数，且满足cm＞0；sξ＝sgn(ξ)；ud(t)、rd(t)和wd(t)表示虚拟控制率；

51、步骤(6)潜航器容错输出约束控制

52、步骤(61)上位机输入期望运动轨迹xd(t)、yd(t)、zd(t)给潜航器驱动器；

53、步骤(62)当潜航器上的位置传感器检测到潜航器的位置变化后，反馈位置信息给反馈控制器，反馈控制器接受到信号之后进行闭环运算并将运算结果给到驱动器，驱动器输出电流控制各个电机的出力和方向，以跟踪期望运动轨迹。

54、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

55、1、本发明针对含有较强非线性特性和时变特性的潜航器的位置跟踪控制问题，从非线性输出反馈系统角度出发，设计了一款结构简单的输出反馈控制器。即：通过对辅助变量和误差信号的调节与变换，简化了控制器结构；通过对潜航器的位置跟踪误差的超调量、收敛时间/速度、非对称时变约束以及稳态值进行预先设定，保证了控制信号连续且无剧增现象。

56、2、本发明通过将新的边界函数与约束处理策略相结合，实现了在固定时间段内将误差收敛到预定集合。

57、3、本发明不需要计算虚拟控制信号导数，也不依赖于与车辆动力学参数、干扰边界或故障特性相关的信息，且未使用辅助技术，如自适应技术、神经网络、观察器或过滤器，从而简化了控制器设计。

58、4、本发明使用误差修正技术消除了在线设计控制器方法在对高阶系统设计过程中需对控制器参数进行复杂、繁琐的递归选取的限制。

59、5、本发明设计的控制器可以有效实现潜航器的位置跟踪控制，可用于对一类受模型不确定性、环境干扰和潜在执行器故障影响的潜航器进行轨迹跟踪。