一種基于干擾觀測(cè)器的混合懸浮實(shí)驗(yàn)體控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混合懸浮實(shí)驗(yàn)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于干擾觀測(cè)器的混合懸 浮實(shí)驗(yàn)體控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 混合懸浮環(huán)境的主要應(yīng)用是微重力效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，用于在地面模擬空間微重力環(huán) 境。實(shí)驗(yàn)體在此環(huán)境中受到浮力、電磁力、重力的共同作用處于懸浮狀態(tài)，因此其所處空間 稱為混合懸浮環(huán)境。主要方法是將被試對(duì)象全部浸沒在水中，先粗略調(diào)整配重或漂浮器的 浮力，再通過電磁力精確配平，克服被試對(duì)象的重力，使其漂浮于水中，近似模擬微重力效 應(yīng)。該方法具有六自由度三維模擬空間，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)實(shí)驗(yàn)。
[0003] 實(shí)驗(yàn)體處于這樣的復(fù)雜環(huán)境中，由于電磁力和水動(dòng)力不能精確得到，且存在水波 干擾等，致使實(shí)驗(yàn)體動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜而且?guī)в胁淮_定性。而微重力實(shí)驗(yàn)中，要完成既定的實(shí) 驗(yàn)任務(wù)和操作動(dòng)作，必須實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)體的精確控制。因此，實(shí)驗(yàn)體在這種具有復(fù)雜力學(xué)特性的 干擾環(huán)境中的精確控制問題必須解決。
[0004] 目前，傳統(tǒng)的PID控制由于原理簡(jiǎn)單、適用性好、使用方便等，在控制中得到廣泛 的應(yīng)用，但PID控制難以處理未知的外部干擾，且對(duì)復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)表現(xiàn)一般。而 混合懸浮實(shí)驗(yàn)體的數(shù)學(xué)模型是強(qiáng)非線性的，而且不容易得到精確的數(shù)學(xué)模型參數(shù)?；旌蠎?浮實(shí)驗(yàn)體實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境是復(fù)雜多變的，容易存在各種的外部干擾對(duì)混合懸浮實(shí)驗(yàn)體的運(yùn) 動(dòng)控制造成影響。
[0005] 綜上所述，混合懸浮實(shí)驗(yàn)體的運(yùn)動(dòng)控制還存在以下兩個(gè)問題：1、混合懸浮實(shí)驗(yàn)體 的模型參數(shù)難以獲??；2、由于外部干擾的不確定對(duì)混合懸浮實(shí)驗(yàn)體的運(yùn)動(dòng)控制造成一定的 影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于干擾觀測(cè)器的混合懸浮實(shí)驗(yàn)體 控制方法。本方法則能很好地解決以上還存在的問題，本發(fā)明算法能夠使控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于傳統(tǒng)PID控制，且具有很好的收斂性。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種基于干擾觀測(cè)器的混合懸浮實(shí)驗(yàn)體控制方法，包括以下步驟：
[0009] 1)對(duì)航行任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，預(yù)設(shè)航行軌跡η d;
[0010] 2)將實(shí)驗(yàn)體放入實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，上電準(zhǔn)備好后，測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行對(duì)航行器 的位置，姿態(tài)及速度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值η (〇)，V(O)發(fā)送到上位機(jī)；
[0011] 3)上位機(jī)通過接受到的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量信息η (0)，V(O)，解算航行的軌跡誤差 向量.s'(()) = iX()) + A/X〇)，其中那) = J(//) lZb(O)-V(O)，？)'(〇) = ",/(())1(())并賦予系統(tǒng)未知 參數(shù)矩陣的初始值火〇)-與干擾觀測(cè)器的初始值d(0)，根據(jù)以下自適應(yīng)ro控制律進(jìn)行控制 力解算，
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于干擾觀測(cè)器的混合懸浮實(shí)驗(yàn)體控制方法，其特征在于：包括以下步驟： 1) 對(duì)航行任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，預(yù)設(shè)航行軌跡n d; 2) 將實(shí)驗(yàn)體放入實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，上電準(zhǔn)備好后，測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行對(duì)航行器的位 置，姿態(tài)及速度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值η (ο)，V(〇)發(fā)送到上位機(jī)； 3) 上位機(jī)通過接受到的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量信息η (0)，V(O)，解算航行的軌跡誤差向量 .<())=鄧))+邱(〇)，其中叩)) = ./(//) 1杰(O)-KO)，汛〇) = ",,,(())1(())并賦予系統(tǒng)未知參數(shù) 矩陣的初始值命0)與干擾觀測(cè)器的初始值d(o)，根據(jù)以下自適應(yīng)ro控制律進(jìn)行控制力解 算，
然后將解算得到的控制力通過該模型的推力分配矩陣解算，得出每個(gè)推進(jìn)器的推力 值，并將各個(gè)推進(jìn)器的控制推力通過串口發(fā)送到下位機(jī)；
4) 下位機(jī)接受到上位機(jī)發(fā)送的控制指令，電機(jī)控制模塊通過對(duì)控制力信號(hào)進(jìn)行分析解 算，輸出一個(gè)與控制力所對(duì)應(yīng)的PWM波到電機(jī)，完成整個(gè)對(duì)電機(jī)的推力控制； 5) 混合懸浮實(shí)驗(yàn)體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，上位機(jī)接收到測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量到的新的實(shí)際值η (k)， v (k)，按照步驟（3)對(duì)系統(tǒng)的跟蹤誤差s (k)進(jìn)行更新，同時(shí)更新新的控制力τ (k)，并通過 模型的推力分配矩陣將新的控制力τ (k)解算得到推力矩陣T(k)，將得到的新的T(k)發(fā)送 到下位機(jī)； 6) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的反饋數(shù)據(jù)，通過改變系統(tǒng)的誤差控制增益矩陣K，系統(tǒng)未知參數(shù)估計(jì)的 增益矩陣1(0及系統(tǒng)的干擾觀測(cè)的增益矩陣K d，觀察變化后的跟蹤誤差軌跡，做出適當(dāng)?shù)膶?duì) 系統(tǒng)各個(gè)增益矩陣K，K1,1(2的調(diào)整； 7) 重復(fù)進(jìn)行上述步驟2)~7)，使航行路線達(dá)到最優(yōu)，跟蹤誤差達(dá)到最小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于干擾觀測(cè)器的混合懸浮實(shí)驗(yàn)體控制方法，其特征在 于：步驟3)中所述控制律是通過以下步驟得到的： 2.1)選取誤差向量s = f + 其中η = [X y z]T為混合懸浮實(shí)驗(yàn)體在慣性坐標(biāo)系 下的位置矩陣；V= [u V w]T為混合懸浮實(shí)驗(yàn)體在雷體坐標(biāo)系下的速度矩陣，且位置誤差 速度誤差V = V, -v，取期望速度Vii =，(")-％ ; 2. 2)在理想狀態(tài)下，建立混合懸浮實(shí)驗(yàn)體模型： i) = J{rf) (I) Mv + C'(v)v + D(v)v + (67(/7) = T ( 2 ) 其中的M是系統(tǒng)的慣性陣；C(v)是系統(tǒng)的哥氏力矩陣；D(v)為系統(tǒng)正定對(duì)稱的水阻力 系數(shù)矩陣；G( η)為系統(tǒng)由系統(tǒng)重浮心位置產(chǎn)生的恢復(fù)力矩陣；τ = BT為系統(tǒng)的外部控制 輸入；B為實(shí)際模型的推力分配矩陣；T是由混合懸浮實(shí)驗(yàn)體上各個(gè)推進(jìn)器的推力組成的推 力矩陣； 利用自適應(yīng)的思想，（2)式則可寫成： Φ(\\\\η)0 = T (3) 其中，Φ^ν，/;)是實(shí)際可測(cè)量得到的參數(shù)矩陣，Θ為系統(tǒng)未知參數(shù)矩陣； 加入有界的外部干擾d(t)時(shí)，則上式（3)可寫成： Φ( ν, ν, η)0 + d{l) = τ (4) 2. 3)設(shè)計(jì)控制律，取：
其中，K e R6X6, KjPKd分別為可調(diào)的正定的ro控制增益矩陣，系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)的增益 矩陣和干擾觀測(cè)器的增益矩陣；r、Λ為一個(gè)適當(dāng)?shù)恼ň仃嚕?為系統(tǒng)未知參數(shù)的在線估 計(jì)，Ao為外部干擾的觀測(cè)器的觀測(cè)值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于干擾觀測(cè)器的混合懸浮實(shí)驗(yàn)體控制方法，其特征在 于：步驟2. 3)設(shè)計(jì)控制律中還包括證明所述控制律穩(wěn)定性的步驟，具體步驟如下： 3. 1)根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性原理，選取候選李雅普諾夫函數(shù)： V0 =^stMs (6) 對(duì)候選函數(shù)Vtl求關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，則： V0 = StMs =S1 M(?) =St [Mvr - r + C(v)v + ￡>(v)v + G(jj) + d(t)] =s1 [Φ(?\ ν,η)θ + (1{?)-τ\-s! D{v)s 3. 2)系統(tǒng)模型參數(shù)的估計(jì)的穩(wěn)定性，選取新的利亞普諾夫函數(shù)： vx = vQ+U!vd 2 (8) =丄/Ms. +丄 i)'7rd 2 2 對(duì)'逐項(xiàng)求關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，則： (9) =.S 7 [Φ(('，V，/7)汐 + ?/(〇 - Γ] - .S 7 D( ν)Λ' - ^「6 3. 3)干擾觀測(cè)器的觀測(cè)值的穩(wěn)定性，最終選取利亞普諾夫函數(shù)： F = F丨+辦)'ΛJ⑴ 1 , . (10) =Ms' + +《「沒 + "(Oy Λ"⑴ 對(duì)V逐項(xiàng)求關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，則： 廣=6 + J(〇' Λ》/) "I) =λ'; [Φ(ι\ ν，")0 + ?/(/) -γ] -λ" D(v).v -^1T鄉(xiāng)一J(,)' aJ(/) 3. 4)將控制律式（5)帶入（11)式中，合并可得： V = -Sr [K + D(v)].v - OrKlO - d{t)r K Jit) + OrKfi + d{t)r K2d{t) < -s' [K + D{v)]s - ^ Or Kfi - ^ (!{t)1 K2cl{t) + ^ OrKlO +]-d{t)r K2d{t) ( 12) <-kV +C 其中 K1= ΓΚ e，K2= AKd，且 ^: = min(；,mn(J： + D(v)), A_ (^1), /：,lim 4 人~)） 2 2 (13) C: = ^ θτΚβ + ^d(I)1' KJ(t) 因?yàn)橄到y(tǒng)未知參數(shù)Θ與系統(tǒng)外部干擾d(t)均有界，即I I θ I I彡S1, I |d(t) I I彡δ2， 其中61與δ 2均為正常數(shù)，則兮；且D(V)正定，選取適當(dāng)?shù)恼ǖ脑鲆婢?陣K，K1, K2;由上式（12)可得： 0<V <- + [V(0)--]e K, C 14) K K 由（14)式得，李雅普諾夫函數(shù)V是正定有界的，即存在t，使得t -C?時(shí)，= K 因此可知閉環(huán)系統(tǒng)的軌跡誤差項(xiàng)S，系統(tǒng)未知參數(shù)誤差J及系統(tǒng)外部干擾與干擾觀測(cè)器之 間存在的誤差^⑴均是有界的，則該控制律是穩(wěn)定的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于干擾觀測(cè)器的混合懸浮實(shí)驗(yàn)體控制方法，其特征在 于：所述預(yù)設(shè)軌跡nd為一階可導(dǎo)的且有界的。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于干擾觀測(cè)器的混合懸浮實(shí)驗(yàn)體控制方法，本發(fā)明針對(duì)于混合懸浮實(shí)驗(yàn)體的模型參數(shù)未知的情況下，在傳統(tǒng)PID控制方法基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)的思想而設(shè)計(jì)的自適應(yīng)PD控制律。而干擾觀測(cè)器是用于在線估計(jì)有界的非線性外部干擾。綜合以上所描述的方法，最終確定的基于干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)控制方法則能很好地解決以上還存在的問題，本發(fā)明算法能夠使控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)PID控制，且具有很好的收斂性。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號(hào)】CN104656446
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510023471
【發(fā)明人】朱戰(zhàn)霞, 崔榮鑫, 毛正陽, 劉曉旭, 袁建平, 潘光, 羅建軍, 方群
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年1月16日