[发明专利]一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法

说明书

本发明提出一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，首先将水下航行器的期望纵向信息作为跟踪微分器输入，得到跟踪微分器的输出值，并将输出值与纵向信息相关观测值进行比较，得到系统误差；将系统误差和增益参数作为变增益非线性状态误差组合控制器的输入信号，变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号以及系统状态输出作为扩张状态观测器输入，扩张状态观测器输出扰动和观测值，根据扰动对变增益非线性状态误差组合控制器的输出信号进行补偿，得到水下航行器的稳定控制量，并作为动态逆控制器的输入求解得到水下航行器的控制量。本发明实现提高控制性能，提升自抗扰控制器的强鲁棒性，增强控制器干扰抑制能力的目的。

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，更具体地，涉及一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法。

背景技术

随着海洋资源持续开发，水下无人航行器(UUV)的技术要求越来越高，欠驱动UUV已经成为海洋资源调查、军事行动和远程干预等水下任务中不可或缺的重要装备之一。UUV在完成水下作业时，会受到复杂多样的干扰，如UUV模型不确定性产生的干扰，海洋环境中的海浪、洋流、风力等产生的干扰。设计高性能的纵向控制器则是UUV完成各种任务的必要条件。

目前为止，水下航行器的主要控制技术有：比例-积分-微分(PID)控制、模糊控制、滑模控制、自适应控制、神经网络控制等。PID控制处理随时变化的内外干扰以及系统误差时，积分的抑制效果并不显著。模糊控制的缺点在于信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。滑模控制中控制量切换的幅度越大，抖动就会越明显。自适应控制的参数估计是在理想情况下随着时间趋近于无穷而渐进收敛，所以实际工程应用上较为困难。神经网络控制通常需要更多的数据，至少需要数千甚至数百万个标记样本，难以实现。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种水下航行器变增益自抗扰纵向控制方法，自抗扰控制(ADRC)是一种基于过程误差来抑制或者消除误差的方法，纵向信息包括深度信息与俯仰角信息，本发明基于自抗扰控制，在工作过程中实时估计系统的内扰、外扰的总和作用并及时进行补偿，通过期望纵向信息和实际纵向信息的误差大小和方向来完成系统的控制过程，实现提高控制性能，提升自抗扰控制器的强鲁棒性，增强控制器干扰抑制能力的目的。

本发明的技术方案为：

所述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)：