[发明专利]一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法

权利要求书

1.一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将水下航行器的期望纵向信息[z，θ]作为跟踪微分器输入，得到跟踪微分器的输出值v₁(k),v₂(k)，并将v₁(k),v₂(k)与水下航行器中的纵向信息相关观测值z₁(k-1),z₂(k-1)进行比较，得到系统误差e₁(k),e₂(k)，其中，e₁(k)＝v₁(k)-z₁(k-1),e₂(k)＝v₂(k)-z₂(k-1)；其中v₁(k)是对期望纵向信息[z，θ]的跟踪值，v₂(k)是对期望纵向信息[z，θ]的微分跟踪值，z₁(k-1)是水下航行器的纵向信息观测值，z₂(k-1)是水下航行器的纵向信息微分值的观测值，k表示第k个控制周期，在第1个控制周期中，纵向信息观测值以及纵向信息微分值的观测值取预先设定值；

步骤2：将步骤1得到的系统误差e₁(k),e₂(k)和增益参数β₁(k),β₂(k)作为变增益非线性状态误差组合控制器的输入信号，通过变增益非线性状态误差组合控制器得到输出信号u₀(k)：

u₀(k)＝β₁(k)fal(e₁(k),α,δ)+β₂(k)fal(e₂(k),α,δ)

其中fal()为原点附近连续的幂次函数，α为体现非线性特性的设定参数，δ为避免控制量震颤的设定正数；

步骤3：将变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号u₀(k)以及系统状态输出y(k-1)作为扩张状态观测器输入，扩张状态观测器输出扰动z₃(k)和观测值z₁(k),z₂(k)：

其中ξ₀₁，ξ₀₂，ξ₀₃是观测器的增益系数；

步骤4：根据步骤3扩张状态观测器输出的扰动z₃(k)，对变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号u₀(k)进行补偿，得到水下航行器的稳定控制量u(k)＝u₀(k)-z₃(k)，并将u(k)作为动态逆控制器的输入，通过动态逆控制器求解得到水下航行器的控制量τ：

τ＝f^-1(θ,w,q,u)

其中函数f根据水下航行器运动模型确定；所述水下航行器运动模型为：

其中

x、z分别为水下航行器在惯性坐标系下的前向和垂向位置坐标，θ为俯仰角，u_c、w分别为体坐标系下水下航行器的前向速度和垂向速度，并忽略u_c的动态特性，q为俯仰角速度，B为水下航行器所受浮力，W为水下航行器重力，T₁、T₂分别为水下航行器前垂推和后垂推产生的推力；l₁、l₂分别为前垂推和后垂推沿体坐标系x轴方向到体坐标系原点的距离；m为水下航行器质量，I_yy为水下航行器的俯仰转动惯量，(x_G,z_G)为水下航行器重心在体坐标系中的坐标，(x_b,z_b)为水下航行器浮心在体坐标系中的坐标，为垂向加速度、俯仰角加速度产生的z轴方向流体附加质量系数，为垂向、俯仰加速度产生的俯仰方向流体附加质量系数，Z_ww、Z_qq为垂向速度、俯仰角速度产生的z轴方向的二次流体阻尼系数，Z_uq、Z_uw为沿着前向的俯仰角速度、垂向速度产生的z轴方向的一次流体阻尼系数，M_ww、M_qq为垂向速度、俯仰角速度产生的俯仰方向二次流体阻尼系数，M_uq、M_uw为沿着前向的俯仰角速度、垂向速度产生的俯仰方向一次流体阻尼系数；

步骤5：采用步骤4得到的控制量τ对水下航行器进行控制，然后返回步骤1进行下一周期的控制解算。